二维纳米材料的非线性光学性质受尺寸调控

smll201400541-gra-0001-m非线性光学材料(Nonlinear Optical Materials)的光学性质依赖于入射光的强度,这类材料被广泛应用于激光频率转换、激光信息处理、光纤通讯等领域。不同的非线性光学材料会表现出两种截然相反的吸收性质。一种为饱和吸收材料,即:当光强较大时,透过率增加。此类材料在激光脉冲压缩、Q转换和锁模中有着重要的应用。另一种材料为光限幅材料:当光强较大时,透过率降低,呈现反饱和吸收特性。此类材料在脉冲整形、锁模和激光防护方面有着重要的应用。

近年来,包括石墨烯和层状二硫化物在内的二维纳米材料的非线性光学性质受到了广泛的重视。以往研究中发现大部分二维纳米材料均显现出饱和吸收的特性。在纳秒时间尺度上,一些二维材料分散液由于热致气泡导致的散射效应可以表现出反饱和吸收特性。然而在更小的时间尺度上,具有本征光限幅性质的二维材料则较为稀少,而对于其中反饱和吸收特性的理解则非常欠缺。

兰州大学功能有机国家重点实验室的张浩力教授研究组首次发现:在基于二硫族过渡金属化合物的半导体型二维材料中,非线性光学性质与尺寸具有直接的关联。他们选择了MoS2与WS2两种半导体型二维材料作为研究对象。在该课题组以往混合溶剂分散法的基础上,他们采用梯度离心的方法依次分离得到了从50~500nm等不同大小的二维纳米结构。通过采用z-扫描技术进行研究,他们发现在皮秒尺度上,大尺寸的MoS2与WS2表现为饱和吸收特性。然而当二维纳米结构的平面尺寸缩小到50-60nm时,二维MoS2与WS2纳米材料则显示出反饱和吸收的性质。由于其制备方法并未引入表面活性剂等杂质,该工作是首次本征的二维纳米材料上发现由尺寸缩小引起的饱和吸收向反饱和吸收转变这一独特的现象。在对照试验中,不同尺寸的金属型二维纳米材料NbSe2则均呈现出饱和吸收特性,未表现出明显的尺寸相关性。

该研究工作首次在实验上证明,通过调控半导体型二维材料的尺寸可以有效地调控其非线性光学性质在饱和吸收与反饱和吸收中转变。目前已知的二维纳米材料中具有大量的二硫族过渡金属化合物,该工作为寻找更多具有反饱和吸收特性的光限幅材料提供了一条重要的线索。该研究结果发表在近期的Small期刊上(DOI: 10.1002/smll.201400541)。