“二维光电材料与器件”专题 前言
——邱建荣 张晗
[摘要]随着石墨烯的发现及其奇异特性的不断挖掘,二维材料开始进入人们的视野,并引起越来越多的关注,现在已成为一类具有奇特光电子特性的材料,涵盖了石墨烯、拓扑绝缘体、过渡族金属硫化物、黑磷、锑烯、铋烯等几十种不同的层状材料。纳米尺度的材料所具有的表面效应、小尺度效应以及量子效应等引发了许...
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浙江大学硅材料国家重点实验室;浙江大学材料科学与工程学院;浙江大学高分子科学与工程学系;浙江大学信息科学与电子工程学院
[摘要]过渡金属硫族化合物(TMD)因其原子层级的厚度和独特的光电性能而受到了广泛的关注和研究。大量文章报道了TMD的可控制备、奇特的光电性能及其在光探测、发光、自旋和能谷电子学等光电子领域的应用。从TMD的材料制备、光电性能及光电应用三个角度对这些工作进行了总结。
华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室;光纤激光材料和应用广东省重点实验室;浙江大学光电系
[摘要]二维(2D)材料具有独特的结构和光电特性, 在能源、环境、高性能光电传感等方面都有非常重要的应用。2D材料的非线性光学特性及应用是研究者广泛关注的热点研究领域。从2D材料的制备方法、晶体和能带结构、非线性光学特性研究等方面对2D材料的研究进行了简单回顾。非线性纳米晶自组装或复合薄膜是另一类重要的非线性材料。考虑到这类材料的宏观2D特性和论述内容的连贯性, 将非线性纳米晶自组装或复合薄膜归于准2D材料, 并对其非线性光学特性和应用等也进行了简单介绍, 作为对非线性光学材料研究的补充。
基于碳纳米管锁模光纤激光器的偏振锁定和偏振进动矢量孤子的研究进展
上海大学特种光纤与光接入网重点实验室
[摘要]矢量孤子在现代通信、非线性光学等研究中具有重要意义。锁模光纤激光器为研究矢量光孤子特性提供了重要平台。对碳纳米管锁模的掺铒光纤激光器中矢量孤子的进动进行了综述, 展示了多种矢量孤子的偏振进动轨迹。实验证明了矢量孤子的偏振进动作为非线性吸引子的存在, 揭示了一种新型锁模光纤激光器的可能, 并展望了其未来的应用和发展。
中国科学院上海光学精密机械研究所中科院强激光材料重点实验室;西北大学化学与材料科学学院;
[摘要]得益于独特的二维量子限制效应以及层与层之间耦合微扰的消除, 石墨烯、过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W,Ti,Nb等; X=S,Se,Te等)、黑磷等二维层状半导体材料与其体材料相比, 在电子学、光子学等性能上都有本质的提高。以中国科学院上海光学精密机械研究所近几年的相关研究成果为主要对象, 结合国内外研究进展, 重点介绍了二维材料的制备方法、物理性质和超快非线性光学性能以及相关器件的研究进展, 并对其前景进行了展望。
浙江大学材料科学与工程学院;浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室
[摘要]纳米结构的局域表面等离子体共振效应能够突破衍射极限实现对光信号的局域调控, 自发现以来就引起了光学领域的广泛关注, 并成为一大研究热点。从对局域光场增强效应到超材料的实现, 表面等离子体都扮演着重要的角色。综述了基于纳米结构的局域表面等离子体的超快非线性光学现象及其应用研究, 重点介绍了非传统表面等离子体纳米材料(重掺杂半导体)的饱和吸收效应, 以及其在超快脉冲激光器中的应用, 并对其发展前景进行了展望。
华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室
[摘要]二维层状半导体材料具有独特的电子结构和量子尺寸效应, 在光电子器件等领域受到广泛关注。其中, 二维Ⅳ-Ⅵ族半导体因其具有成本低、元素丰富、对环境友好等优点, 近年来成为研究热点之一。介绍了二维Ⅳ-Ⅵ族半导体的独特晶体结构, 总结了机械剥离、液相法、气相沉积等制备方法的研究进展, 讨论了二维Ⅳ-Ⅵ族半导体在场效应晶体管和光电器件领域的研究现状, 并针对制备和器件应用方面存在的问题及今后的研究方向提出了建议。
武汉大学物理科学与技术学院
[摘要]石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料, 具有优良的物理、化学和机械性能, 在储能器件、电子器件以及复合材料等诸多领域有广阔的应用前景。石墨烯的产业化生产一直是现在国际上材料科学研究的热点。在石墨烯的诸多制备方法中, 电化学剥离方法具有快速高效、绿色环保等特点, 有望实现产业化。首先综述了最近国内外电化学剥离法制备石墨烯和类石墨烯材料(BN和MoS2)的研究进展, 并对其反应机理进行了探讨, 然后简单介绍了石墨烯在光电子器件领域的研究现状和应用, 最后对石墨烯前景进行了展望。
南京理工大学材料科学与工程学院工信部新型显示材料与器件重点实验室
[摘要]金属卤化物钙钛矿具有优异的光电性能, 在太阳能电池、光电探测等领域有着广泛的应用。该材料还具有优越的发光性能, 通过调节卤素原子的种类与比例, 可以实现可见光范围内的全波段发光; 此外, 其半峰全宽很窄, 故在显示等领域也具有广阔的应用前景。这些特点使金属卤化物钙钛矿非常适于作激光增益介质, 加上其低维材料本身就可以作为光学谐振腔, 因此低维金属卤化物钙钛矿实现激光输出成为可能。相关的研究已经取得了重要的进展。
电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室
[摘要]3 μm中红外波段脉冲光纤激光器在国防、军事、生物医疗、大气通信等领域有着广泛的应用前景。以石墨烯为代表的二维材料由于易于集成及实现全光纤化等无可比拟的优点而作为中红外波段可饱和吸收体备受关注。阐述了石墨烯、黑磷、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物等二维材料的原子结构及光学特性, 分析对比了这四类二维材料用于中红外脉冲光纤激光器的作用机理及特点, 对国内外基于二维材料的中红外脉冲光纤激光器的研究进展进行了总结, 并对未来基于二维材料的中红外脉冲光纤激光器的发展前景进行了展望。
山东大学物理学院
[摘要]利用二氧化钒(VO2)的饱和吸收性质, 通过消逝场吸收的方式对波导激光进行调节, 实现了皮秒脉冲激光输出; 通过控制VO2的温度可对输出激光的脉冲宽度、重复频率和能量等进行调控。在VO2薄膜从绝缘相过渡到金属相期间, 通过测量复合光波导(掺杂钇铝石榴石波导表面附着VO2)的激光输出, 可直接观察到VO2的可饱和吸收性质。VO2薄膜与波导模式这两者之间通过消逝场相互作用, 使得VO2对光的吸收显著增加。受益于VO2独特的热驱动光学性质, 在1064 nm处, 波导激光在皮秒脉冲和连续波机制间可有效切换。由于VO2薄膜可饱和吸收的热滞特征, 通过冷却或加热处理, 在相同的温度条件下, 复合波导可产生连续激光和皮秒脉冲激光。这项研究为在芯片级平台上实现热控制有源集成光源提供了一种方法。
浙江大学信息与电子工程学院硅材料国家重点实验室;浙江大学高分子科学与工程学系;浙江大学材料科学与工程学院
[摘要]将3,4,9,10-苝四酸二酐(PTCDA)分别与单层二硫化钼(MoS2)和石墨烯结合构成有机-无机异质结, 并研究其荧光性能。在MoS2/PTCDA体系中, PTCDA的荧光强度显著增强, 这是因为MoS2表面促进了PTCDA外延生长; 而在石墨烯/PTCDA体系中, PTCDA的荧光强度明显减弱, 这主要是因为该异质结内光生电子发生了跃迁转移。
哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室
[摘要]报道了一种基于石墨烯三元复合材料(石墨烯/二氧化锡/聚苯胺薄膜)的可切换双波长孤子光纤激光器。该石墨烯复合材料由液相超声法制备而成, 将其制成聚合物薄膜并转移到激光器腔内。该石墨烯器件不仅可以作为一种饱和吸收体来进行锁模, 而且具有较强的三阶非线性光学效应, 在激光器中, 它可以构成一种滤波器来产生双波长脉冲。利用该双功能器件实现了光纤激光器的双波长孤子运转, 最小脉冲宽度为1.25 ps, 基本重复频率为2.13 MHz, 相应的最高单脉冲能量为1.51 nJ, 峰值功率约为1.2 kW。
华南师范大学广州市特种光纤光子器件重点实验室;华南师范大学广东省微结构功能光纤与器件工程技术研究中心;淮北师范大学物理与电子信息学院;深圳大学光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室
[摘要]由于其独特的光电特性, 黑磷量子点(BPQDs)获得研究者们的广泛关注。将基于微纳光纤沉积BPQDs的光子器件接入掺铒光纤激光腔内, 利用其可饱和吸收特性和高非线性效应分别获得了单、双波长脉冲簇现象。在单波长脉冲簇状态下, 每簇脉冲包含9个脉冲, 各脉冲之间具有不同的时间间隔; 在双波长脉冲簇状态下, 每个波长分别对应一套脉冲簇序列, 两套脉冲簇序列具有不同的强度和时间间隔。该结果有助于加深人们对多波长光纤激光器及脉冲簇动力学的理解, 也证明了BPQDs可以作为性能优良的可饱和吸收体应用于超快光学领域。
湖南大学物理与微电子科学学院
[摘要]通过光学自组装方法制备了碲化铋可饱和吸收器件, 并获得了该器件的非线性光学响应特性。将可饱和吸收体引入掺铒光纤激光器中, 在抽运功率为170 mW时, 获得中心波长为1564.94 nm, 脉冲宽度为2.91 μs的激光输出。通过外加连续光对非线性吸收器件进行调制, 实现了脉冲持续时间和重复频率可调控的调Q光纤激光输出。
北京邮电大学理学院;北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室
[摘要]二硫化钨(WS2)具有显著的可饱和吸收特性, 广泛应用于光电子器件的制备。研究了基于WS2可饱和吸收体(WS2 SA)的全光纤被动调Q掺铒光纤激光器。采用脉冲激光沉积法, 将WS2均匀生长在拉锥光纤表面, 在WS2表面镀金膜以防止其被氧化, 此方法增加了WS2 SA的抗干扰能力。利用平衡双探测器法, 测得WS2 SA的调制深度约为15.2%, 饱和强度为2.84 MW/cm2, 非饱和损耗为78%。通过旋转偏振控制器, 得到了光纤激光器在不同抽运功率下的稳定调Q输出脉冲序列; 当抽运功率在300～630 mW范围内变化时, 激光器重复频率的可调谐范围为174～250 kHz。实验结果表明, 该光纤激光器输出的最窄脉冲宽度为780 ns, 最大输出功率为18 mW, 单脉冲能量为23.5 nJ, 信噪比为85 dB, 所提出的调Q光纤激光器具有较好的稳定性。
上海理工大学理学院;中国人民解放军第二军医大学附属长海医院
[摘要]探讨了γ-聚谷氨酸(γ-PGA)介导合成γ-PGA/二硫化钼(MoS2)纳米团簇的可行性, 分析了γ-PGA/MoS2纳米团簇在近红外激光的热转换性能。将γ-PGA和合成MoS2纳米片的前驱体四硫代钼酸铵同时溶解于蒸馏水中, 通过水热法自下而上一步合成出了γ-PGA修饰的MoS2纳米团簇,MoS2纳米团簇的直径为(197.3±26.6) nm。团簇结构的形成可能与Mo4+离子和γ-PGA链中羧基上氧原子的配位作用有关。在水热反应过程中, 由于这种配位作用的存在, 生成的MoS2纳米片可能进一步以γ-PGA分子链中氧原子为中心形成团簇。该纳米团簇具有优异的胶体稳定性、光热转换性能(质量消光系数为11.23 L·g-1·cm-1)和细胞相容性, 有望在肿瘤的光热治疗等领域得到应用。
河北大学物理科学与技术学院河北省光电信息材料重点实验室
[摘要]利用简易的“一锅法”制备了正丁硫醇修饰的MoS2纳米片(MoS2-C4), 并对其结构、组分、形貌及电双稳性能进行了研究。正丁硫醇在反应过程中既作为硫源, 又作为表面活性剂。X射线衍射(XRD)测试表明制备的样品为六方晶系的MoS2。从透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)可以看出样品的形貌为片状, 较大的纳米片是由较小的纳米片自组装而成。测试了样品的吸收光谱, 由吸收峰的位置证明了合成的样品为2H-MoS2纳米片。利用旋涂法将所制备的纳米片与聚乙烯基咔唑(PVK)的混合物制备了电双稳器件, 通过电流-电压(I-V)测试证明了该器件具有很好的电双稳性能。
上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室
[摘要]将二维材料硒化钨(WSe2 )与聚合物聚乙烯醇(PVA)混合制成饱和吸收体薄膜, 在掺铒保偏光纤激光器中实现了稳定的调Q运转。全保偏的腔体能够最大程度减少环境对激光腔双折射的扰动, 在此基础上, 研究了硒化钨聚乙烯醇(WSe2-PVA)饱和吸收体薄膜在调Q运转中的稳定性。研究发现, 当材料中的热量累积到一定阈值后, 聚合物基底材料首先进入熔融状态, 随后热量在薄膜中进一步累积, 导致硒化钨受热损坏, 表现为饱和吸收体薄膜的损耗急剧增加。
湖南理工学院信息与通信工程学院
[摘要]提出了一种基于介质和石墨烯涂层的结构来进行古斯-汉欣位移调控, 利用传输矩阵法研究了该结构参数对共振角及共振角处反射光的古斯-汉欣位移的影响。数值模拟结果表明, 共振角随介质层厚度的增加逐渐增大, 而随石墨烯费米能级的增加逐渐减小; 古斯-汉欣位移大小随介质层厚度的增加先增加后减小, 而随石墨烯费米能级的增加单调减小。介质层厚度对共振角的影响较为显著, 而石墨烯费米能级对古斯-汉欣位移的影响较为显著。
天水师范学院激光技术研究所;陕西师范大学物理学与信息技术学院
[摘要]利用二维过渡金属材料WS2作为2 μm波段可饱和吸收体, 采用典型的X型四镜腔结构, 实现了Tm,Ho∶LuLiF4激光器低阈值被动调Q运转。实验结果表明, 吸收功率为260 mW时开始启动调Q运转, 吸收抽运功率大于650 mW时, 调Q激光脉冲进入稳定运转。抽运功率为2000 mW时, 在中心波长1895 nm波段输出功率为88 mW, 典型脉冲宽度为4 μs, 重复频率为16.89 kHz, 对应最大单脉冲能量为5.21 μJ。结果表明, WS2材料可以作为2 μm固体激光器的可饱和吸收体。
江苏师范大学物理与电子工程学院;复旦大学光科学与工程系;江苏省先进激光材料与器件重点实验室
[摘要]受表面等离激元共振效应的影响, 金纳米棒饱和吸收体具有饱和吸收宽带可调、非线性响应时间快等特点, 且便于与各种激光谐振腔整合, 是一种有潜力的宽波段饱和吸收体材料。报道了一种基于金纳米棒饱和吸收体的1 μm波段被动调Q固体激光器。将金纳米棒溶液旋涂于输出镜上, 并将其作为可饱和吸收体构建到激光谐振腔中, 在LD端面抽运Nd∶YVO4激光器中实现了1064 nm被动调Q运转。在抽运功率为7.5 W时获得了平均输出功率为540 mW, 最小脉冲宽度为138 ns, 重复频率为602 kHz的脉冲激光输出。
山东师范大学物理与电子科学学院;山东省光学与光子器件技术重点实验室;山东师范大学大数据与信息研究院
[摘要]制备了吸收波长为2 μm的银纳米棒(ANRs), 并将其作为可饱和吸收体应用于2 μm被动调Q激光器中。采用结构紧凑的直线腔设计, 实现了稳定的激光二极管抽运2 μm被动调Q脉冲激光运转。在吸收抽运功率为5.73 W的情况下, 获得的调Q平均输出功率为118 mW, 重复频率和脉冲宽度分别为24.32 kHz和1.455 μs。
陕西师范大学物理学与信息技术学院;西安邮电大学电子工程学院
[摘要]采用数值模拟研究了飞秒脉冲在悬吊芯As2S3微结构光纤中传输时, 抽运波长对中红外超连续谱产生的影响。通过分步傅里叶算法数值求解广义非线性薛定谔方程, 对不同抽运波长的飞秒脉冲在悬吊芯As2S3微结构光纤中传输时的传输特性及演化过程进行分析。模拟结果表明, 当抽运波长为2300 nm时, 处于光纤的反常色散区且近零色散波长, 可获得宽带且平坦的中红外超连续谱, 光谱范围覆盖1.2～7 μm; 当抽运波长为2500 nm时, 处于光纤的反常色散区且远离零色散波长, 可获得超宽带中红外超连续谱, 光谱范围覆盖1.2～7.5 μm, 但其平坦度略差。该结果对产生中红外超连续谱时选择合适的激光抽运波长, 进而优化中红外超连续谱具有重要的参考价值。
北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室
[摘要]设计了一种基于有图案石墨烯的超薄宽带太赫兹超材料吸收体, 该吸收体的厚度为33.254 μm(即入射波波长的1/7), 吸收率在80%以上的吸收带宽达到1.422 THz。仿真及分析结果表明, 该吸收体的吸收特性呈偏振无关, 并对入射角的变化不敏感;通过改变石墨烯的化学电势能够有效地调控吸收体的吸收能量, 增加聚酰亚胺中间层厚度可提高吸收体的吸收性能。
