Mxene:一种新型的非线性光学二维材料

  二维材料具有各种与体材料不同的新颖的物理化学特性,并且完美地符合人们日益增加的对于小型化、集成化、高效率、多功能器件的需求。其中,二维非线性光学材料是未来非线性光子学、等离子激元、光-电/磁/声相互调控等纳米器件不可或缺的重要基元,因而近来受到光学、材料、通讯以及医疗等领域研究人员的广泛关注。作为开创性的二维材料,石墨烯(Graphene)以及与之相关的碳基材料,如碳纳米管、富勒烯等首先进入了人们的视野,并取得了众多耀眼的成就。然而,由于石墨烯本征的零带隙结构,在一定程度上限制了在光电子领域的应用。研究人员逐渐将目标拓展到其他二维材料,如黑磷、过渡金属二硫化物(TMDCs)、拓扑绝缘体等新型二维材料,并且也获得许多令人兴奋的成果。尽管如此,这些材料的制备技术尚不成熟,人们对材料的性能缺乏深入系统的研究,加上新材料不断涌现,哪种材料将在未来统领新型二维非线性光学材料仍然是一个开放性的命题。

  近日,深圳大学的张晗教授团队利用化学刻蚀的方法,成功制备了“风琴状”二维层状MXene材料Ti3C2Tx,并系统研究了其宽带三阶非线性光学性能,进一步将其应用到全光纤锁模激光器上,在光纤通讯波段实现了159 fs的超短脉冲输出。MXene具体是指一类具有Mn+1XnTx构成的材料体系,其中M表示前过渡金属,X表示C或者N,T指代二维材料表面的修饰体,n通常取值为1-3。

  基于该体系的化学丰富性,已报道的MXene材料超过70种。MXene材料本身自带表面修饰体,赋予其优良的有机相容性和生物相容性。金属元素和C/N元素的组合也赋予MXene材料良好的电学性能。值得注意的是,该良好的电学性能并没有影响MXene优异的光学性能。MXene的线%/nm左右,远远低于石墨烯的2.3%/单层 (每单层石墨烯的厚度为~ 1nm)。此外,MXene材料的制备方法也趋于成熟化和工业化。目前,市面上已有多家公司可以提供工业级的MXene材料,包括MXene的发现者乌克兰公司的Y. Gogotsi。然而,在该工作系统探索MXene的非线性光学性能之前,鲜有相关报道。

  考虑到MXene家族丰富的材料体系和优异的光电性能,特别是宽带非线性光学响应特性,这一成果为二维材料和纳米光电研究领域的研究人员发掘出丰富待开发的材料宝库。相关结果以正封面论文的形式发表于Laser & Photonics Reviews。第一作者为深圳大学光电学院的蒋先涛和刘顺祥。

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