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超強激光科學卓越創新簡報

(第三十七期)

20198月14日

上海光機所在缺陷調制二維半導體非線性熒光及非線性吸收特性研究方面取得進展

  近期,上海光機所微納光電子功能材料實驗室王俊課題組在提高二維納米材料非線性光學特性方面取得重要進展。研究表明雙(三氟甲烷)磺酰亞胺(TFSI)處理對單層過渡金屬硫化物的非線性光學性質具有顯著影響,處理後的MoS2和WS2表現出增強的雙光子吸收和雙光子發光性能。相關研究成果發表在[Optics Express 27, 13744-13753 (2019)]。

  二維過渡金屬硫化物中的雙光子吸收和雙光子發光特性在光限幅、光信號處理、雙光子顯微成像和光頻率上轉換等方面具有巨大的應用潛力。近年來,缺陷(邊緣和空位)對二維過渡金屬硫化物的非線性光學特性會産生一定的影響並已見諸報道,但修複缺陷對該種材料雙光子吸收及雙光子熒光的影響尚不明確。

  爲解決MoS2和WS2的雙光子熒光泵浦效率過低的問題,研究缺陷態對光子吸收和載流子馳豫複合的問題,科研人員以TFSI溶液處理過後的樣品爲實驗組,未處理的爲參照組,樣品爲化學氣相沉積法的單層MoS2和WS2。實驗中,處理後未觀察到明顯的形貌變化,硫钼比高于未處理組,表明硫空位已得到修複。

  進一步的研究表明MoS2和WS2處理後,光致熒光強度顯著增強,以MoS2爲例,對照組熒光強度提高約50倍。在單層WS2中也觀察到類似的熒光增強。更重要的是,在室溫下用1030納米飛秒激光脈沖激勵可以觀察到這兩種材料的顯著雙光子熒光,這對于生物成像具有重要意義。科研人員還利用顯微強度掃描系統和非簡並超快泵浦探測系統研究了缺陷修複對于二維過渡金屬硫化物的雙光子吸收性能和載流子馳豫動力學的影響,並且發現在MoS2和WS2中,雙光子吸收系數都有很大的提高。該研究揭示了缺陷調控二維過渡金屬硫化物的非線性吸收和發光特性,對其非線性光學應用具有重要意義。

  相關工作得到了國家自然科學基金、中國科學院先導專項計劃等項目的支持。(微納光電子功能材料實驗室供稿)

 

圖1 MoS2和WS2的光致發光和雙光子熒光光譜

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