過渡金屬硫化物二維納米材料是繼石墨烯后又一類重要的二維半導體納米材料，特別是其可見到近紅外波段的可調諧帶隙特性在開發新型光電功能器件方面具有獨特優勢。近期，中國科學院上海光學精密機械研究所中科院強激光材料重點實驗室研究員王俊課題組在二維半導體材料制備、表征及非線性光學特性研究方面取得多項進展。
針對過渡金屬硫化物納米材料在器件化過程中存在的瓶頸之一：低成本、大尺寸二維材料的合成，研究小組（張曉艷等）利用原位生長溶劑熱技術設計合成了具有特殊形貌的二硫化鉬(MoS2)納米薄膜。該溶劑熱法突破傳統水熱合成技術僅能得到微米級層狀納米片的局限，采用“有機溶劑——水”體系，在多種基底如石英、硅片、光纖及曲面上原位生長了連續的、大尺寸、形貌可控的MoS2薄膜。研究表明，這種具有多級結構的MoS2薄膜在近紅外區的三階非線性吸收系數遠高于真空抽濾再組沉積技術得到的MoS2薄膜的三階非線性吸收系數，這要歸結于其獨特的層級結構。相關論文已被Nanoscale 雜志[Nanoscale, 8, 431, (2016)]在線出版。
二維納米材料的結構顯微分析對研究這類材料的物理性質和器件化具有重要意義。基于此，研究小組（李源鑫）等人提出了利用光學傳輸特征矩陣模擬二維層狀納米材料光學對比度的方法，研究其與襯底和入射光波長之間的依賴關系。利用該方法計算化學氣相沉積制備的不同層數MoS2在白光輻照下的對比度，理論模擬與實驗結果相當吻合。與傳統的菲涅爾理論相比，該方法更加快速簡捷、精確，可有效指導二維納米材料基底和輻照光源的選擇。相關論文已被Nanoscale 雜志（DOI: 10.1039/C5NR06287J）在線出版。
研究小組（董寧寧等）還系統研究了液懸態過渡金屬硫化物二維納米材料在納秒脈沖激光作用下的可見—近紅外寬帶光限幅效應。研究表明，在近紅外波段硒化物比硫化物具有更優異的光限幅特性。基于液態分散系統，創新提出了納米片數密度的計算方法，建立了激光能量與散射中心尺寸的關系，對于研究過渡金屬硫系化合物中Mie散射誘導的光限幅效應非常重要。相關論文發表在Scientific Reports 雜志（Scientific Reports, 5, 14646）。
課題組（張賽鋒等）與愛爾蘭都柏林圣三一大學合作，驗證了新型二維材料黑磷的寬帶超快非線性光學效應，證實其比石墨烯具有更加優異的飽和吸收特性，預測了層狀黑磷在開發鎖模和調Q器件上的應用潛力。論文發表在Nature communications [Nature communications，6, 8563，(2015)]，得到Nanyang Technological University, Wroclaw University of Technology等研究小組，以及Phys.org、MIT Technology Review等媒體的高度評價和引用，認為該工作是對黑磷飽和吸收效應的首次報道。
此外，課題組2015年發表在Photonics Research 上的特邀論文Tunable nonlinear refractive index of two-dimensional MoS2, WS2, and MoSe2 nanosheet dispersions 入選“Photonics Research 雜志2015年下載量前十論文”。
圖1 多種基底上原位生長大尺寸、具有多級結構的MoS2納米薄膜
圖2 二維材料的結構參數對光學對比度的調制
圖3 過渡金屬硫系化合物納米片的光限幅效應及理論計算
圖4 黑磷高分辨TEM及飽和吸收特性
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