Laser & Photonics Reviews:Group IV-P化合物:新型宽带非线性光学材料在超快光子学中的应用

深圳大学在《Laser & Photonics Reviews》上发表题为“2D GeP as a Novel Broadband Nonlinear Optical Material for Ultrafast Photonics”的研究论文。该成果首次提出并研究了2D GeP的线性和非线性光学性质,并将其制备成饱和吸收体应用到超短脉冲锁模光纤激光器。

图1   2D GeP的制备

 非线性光学材料作为光子器件(如激光器、全光调制器和阈值器)的基本组成部分,一直以来都受到研究者们的广泛关注。石墨烯是第四主族(Group IV)碳的同素异形体,作为非线性光学材料,它表现出许多优秀的光子特性。然而,石墨烯具有零带隙和弱电子开/关比的特点,表明它不能有效地吸收光,使其在光子应用中受到限制。这一限制也出现在Group IV其他二维材料中,例如硅烯和锗烯。第五主族中黑磷的出现成功克服了这一障碍,成为石墨烯的补充材料。黑磷具有可调的直接带隙(0.3eV-1.5eV),填补了石墨烯(零带隙)和转移金属硫化物(1.5-2.5eV)之间的空白。这种独特的电子结构赋予了黑磷从可见光到中红外区域的宽带可饱和吸收和几十飞秒的超短恢复时间特性。不幸的是,黑磷在空气中不稳定,这限制了基于黑磷的光子器件的长期使用。因此,发展具有可调带隙、宽带吸收、强光学响应和良好空气稳定性的新型非线性光学材料,特别是在二维相,仍是一个长期的目标。

图2   2D GeP的表征

Group IV中的二维材料具有零带隙但稳定的特性,而磷烯虽然对空气敏感但具有宽带且可调节的带隙。因此,可以推测将磷与Group IV元素结合,在二维相中有望获得优秀的非线性光学材料。近日,许多课题组对二维相的Group IV-P化合物进行了大量研究,包括理论预测和实验探索。他们发现SiP,SnP3,GeP和GeP3等二维层状化合物具有高的载流子迁移率、可调节的带隙,较大的光学吸收系数,更高的化学稳定性和更强的各项异性,这意味着Group IV-P化合物作为非线性光学材料在光子和光电子器件的应用中具有很大的潜力。但是,迄今为止对Group IV-P化合物光学性质的实验研究却仍然匮乏。发现新的二维材料并探索其非线性光学性质不仅具有重要的科学意义,而且是技术发展的需要。

图3   2D GeP的非线性光学性质

 近日,深圳大学特聘教授张晗团队与华中科技大学翟天佑教授团队合作,在光学一区著名期刊Laser & Photonics Reviews(DOI:10.1002/lpor.201900123)上发表研究论文。首次研究并证明了Group IV-P化合物中的一个新成员GeP的宽带的和强的非线性光学响应。 研究发现二维 GeP的非线性吸附系数和非线性折射率在数量级上更高于一些主流二维材料。此外,通过将二维 GeP纳米片与聚偏氟乙烯(PVDF)混合,制备了一种高度稳定的GeP@PVDF复合非线性光学薄膜,这对发展不随时间推移而发生光氧化和光降解的有机光子学器件具有重要意义。通过将GeP@PVDF复合薄膜作为可饱和吸收体,并嵌到掺饵光纤环形腔中,在通信频段获得高稳定的飞秒锁模脉冲输出。该工作为理解Group IV-P化合物的非线性光学特性开辟了道路,为其在非线性光子学、超快光子学和光电子学等领域的应用奠定了基础。

图4   2D GeP在超快光子学中的应用

该论文共同第一作者是深圳大学郭佳博士和黄大洲同学,通讯作者为深圳大学二维材料光电科技联合实验室张晗特聘教授、邢晨阳博士和华中科技大学材料科学与工程学院翟天佑教授。该工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中国博士后研究基金、深圳市科学技术创新基金等项目的支持。

https://doi.org/10.1002/lpor.201900123
【原文链接】
2D GeP as a Novel Broadband Nonlinear Optical Material for Ultrafast Photonics

Jia Guo  Dazhou Huang  Yue Zhang  Huizhen Yao  Yunzheng Wang  Feng Zhang  Rui Wang  Yanqi Ge Yufeng Song  Zhinan Guo  Fumei Yang  Jiefeng Liu  Chenyang Xing  Tianyou Zhai  Dianyuan Fan Han Zhang

First published: 12 August 2019 https://doi.org/10.1002/lpor.201900123

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