同济大学在提升二维材料非线性光学性能方面获得进展

非线性光学吸收材料在人工智能芯片、光线幅、光开关和脉冲激光产生等领域具有重要的科学价值和实际应用前景。虽然二维材料是一类极具前景的非线性光学材料，但当前二维材料的性能提升策略难以同时实现非线性吸收系数和调制深度的提升。近日，同济大学化学科学与工程学院黄智鹏教授、张弛院士研究团队提出了一种巧妙方法，通过季铵离子插层实现了二维材料(SnS2)非线性光学吸收系数和调制深度的同步提升，相关研究成果“Prominent Nonlinear Optical Absorption in SnS2-Based Hybrid Inorganic–Organic Superlattice”发表于国际材料学著名学术期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。

该团队研究发现，随着季铵离子碳链长度的增加，插层产物具有更高的非线性光学吸收性能和更大的调制深度。有机离子插层策略可有效提升SnS2的饱和吸收、双光子吸收和三光子吸收等多种非线性光学响应的性能，在515nm至1550nm波长范围内均可有效提升SnS2的非线性光学吸收性能。十六烷基三甲基铵离子插层的SnS2具有最高的非线性光学吸收系数和调制深度，其中，在800nm激光激发下非线性光学吸收系数为(9.847±0.084)×10³cmGW^-1（21.27倍性能提升），调制深度可达69%，激光损伤阈值低至5.17×10^-5 Jcm^-2。研究人员通过光谱学研究发现季铵离子的电化学插层并未将缺陷引入SnS2，并将性能提升归因于有机离子插层形成的有机无极超晶格结构：该超晶格结构可显著降低材料的有效介电常数，从而提高激光照射时材料内部的有效光强，使材料体现更大的有效非线性光学吸收系数。该发现报道了一类新型高性能的非线性光学吸收材料，也表明有机离子插层可成为一种提高二维材料非线性光学吸收性能的有效策略。

图1. (a)SnS2的有机离子电化学插层示意图(b)插层产物的典型扫描电子显微镜图像(c)原始SnS2和电化学插层产物的X射线衍射图谱(d)相关样品的(001)面间距(e)相关样品的吸收光谱，其中CTA为十六烷基三甲基铵，OTA为八烷基三甲基铵

研究人员采用电化学插层方法将不同季铵离子嵌入SnS2纳米片层间，形成有机无机超晶格结构。超晶格结构中无机层的间距可由季铵离子碳链长度调控。有机无机超晶格结构带隙相对原始SnS2发生带隙收缩。作者通过第一性原理计算指出该带隙减小源于插层过程带来的SnS2层电荷积累。

图2. SnS2、SnS2/CTA和SnS2/OTA在(a)515nm(b)800nm和(c)1550nm飞秒激光激发下的Z扫描测试曲线(d)相关样品在不同波长下的非线性光学吸收系数，该研究工作样品和文献典型非线性光学吸收材料的不同非线性光学吸收特性对比(e)饱和吸收(f)双光子吸收(g)三光子吸收(h)光限幅阈值