Laser & Photonics Review:石墨炔宽带饱和吸收及瞬态吸收特性

自石墨烯出现以来,二维材料在现代光子学中发挥着举足轻重的作用。石墨炔是继富勒烯(0D,1985)、碳纳米管(1D,1991)和石墨烯(2D,2004)之后发展起来的一种新型二维全碳纳米材料。因其独特的化学结构和电子性质使其广泛应用于电化学催化、光电化学水裂解、光催化、光电探测器、超级电容器、锂离子电池和太阳能电池等各种领域。然而,石墨炔作为新型碳的二维同素异形体,在光子领域的应用却仍然处于初级阶段。

图1. 石墨炔从可见到红外的瞬态吸收光谱。

石墨炔作为非线性光学材料在光子器件应用中具有广阔的前景。首先,不同于石墨烯的零带隙,石墨炔具有可调谐的直接带隙,这表明石墨炔在基于光开关功能的光子器件中具有巨大的应用潜力。此外,石墨炔的结构中丰富的炔键和亚纳米孔为其功能化提供了大量的位点。在这种情况下,通过控制掺杂原子的类型和数量(例如硼、氮、磷和硫),可以在宽波长范围内调节原始石墨炔的光能隙,这使得石墨炔成为更加兼容的光学材料。此外,与不稳定的黑磷等二维材料相比,石墨炔具有很好的光学稳定性和化学稳定性,在室温下使用寿命非常长。石墨炔优异的稳定性可防止其在强光照射下的光氧化和光降解,这对于发展可长期使用的光子器件具有重要意义。最近,张晗教授课题组与徐加良课题组合作,利用空间自相位调制的方法证明了石墨炔具有很强的宽带克尔非线性和较大的非线性折射率(约10-5cm2 W-1),这表明石墨炔可以广泛应用于多功能光子器件中(Kerr Nonlinearity in 2D Graphdiyne for Passive Photonic Diodes, Advanced Materials, 2019, 31(14), 1807981)。鉴于此,基于石墨炔的先进多功能光电器件的研究与开发,不仅对全面了解全碳石墨炔纳米材料的光学性能具有重要意义,而且将促进基于二维材料的光子器件的发展。

图2. 石墨炔从可见到红外的非线性光学响应。

近日,深圳大学特聘教授张晗团队与南开大学与徐加良研究团队合作,在光学一区著名期刊Laser & Photonics Reviews上发表研究论文(DOI:10.1002/lpor.201900367),首次研究并证明了石墨炔从可见光到红外的宽带饱和吸收和瞬态吸收特性。研究发现,与传统的二维材料相比,石墨炔具有更强的非线性吸收、更低的饱和强度和超快的弛豫时间,表明石墨炔作为新型二维材料可以广泛应用于光子学器件,如激光器、光开关、阈值器、光子二极管和全光调制器等。通过将石墨炔作为饱和吸收体应用到光纤激光器中,分别在1µm和1.5µm实现了高功率锁模脉冲输出。这项研究揭示了石墨炔优异的非线性光学性质,为其在先进纳米光子器件中的发展奠定了基础。石墨炔作为全碳纳米材料中的一颗新星,将在整个光子学领域闪耀光芒。

图3. 石墨炔的饱和吸收机理。

该论文共同第一作者是深圳大学郭佳博士和王睿同学,及南开大学时荣超同学,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、蒋先涛博士和南开大学材料科学与工程学院徐加良特聘研究员。该工作得到了国家自然科学基金、中国澳门特别行政区科技发展基金、深圳市科学技术创新基金等项目的支持。

图4. 石墨炔在超快光子学应用中的性能表现。

GraphdiynePolymer Nanocomposite as a Broadband and Robust Saturable Absorber for Ultrafast Photonics

Jia Guo, Rongchao Shi, Rui Wang, Yunzheng Wang, Feng Zhang, Cong Wang, Hualong Chen, Chunyang Ma, Zhenhong Wang, Yanqi Ge, Yufeng Song, Zhengqian Luo, Dianyuan Fan, Xiantao Jiang, Jialiang Xu, Han Zhang

https://doi.org/10.1002/lpor.201900367

研究团队简介

张晗,深圳大学特聘教授、深圳市黑磷工程实验室主任、博士生导师。美国光学学会会士、基金委“优青”、科睿唯安“高被引科学家(2018/2019)”、广东省科技领军人才等。长期从事低维材料光电器件相关研究,以通讯作者发表中科院一区论文超过100篇,包括Chemical Society Reviews, Coordination Chemistry Reviews, Physics Reports, PNAS, Science Advances, Nature Communications等,论文总被引超过26000次,H-index指数85。张晗教授担任多个SCI期刊专题主编/编委、中国激光青年编委会秘书长、全国光学青年学术论坛第二届主席团副主席。科研成果获得教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、广东省丁颖科技奖、深圳市青年科技奖、深圳市自然科学奖等。

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