阿尔托大学孙志培教授团队与西班牙光子所《Adv. Mater.》：基于单层二维材料的静态和瞬态非线性光谱技术

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单层二维半导体材料 （比如过渡金属硫族化合物，TMD）因其优异的物理特性，将有望在未来先进电子和光电子器件中得到广泛应用。得益于其内在强库仑作用，单层 TMD 中的电子态具有很强的电学和光学响应。为深入研究单层二维半导体材料，探究单层 TMD 中不同的电子态具有重要意义。 近期，阿尔托大学孙志培教授团队和西班牙光子所 F. Javier García De Abajo 教授团队在《Advanced Materials》期刊上合作发表了题为“ Probing Electronic States in Monolayer Semiconductors through Static and Transient Third-Harmonic Spectroscopy”的文章 (DOI:10.1002/adma.202107104)。文中提出了基于静态和瞬态三次谐波的非线性光谱学（图 1），用以表征单层 TMD 的电子态，实现了从低阶激子到高阶激子以及电子带隙的探测。相比常见的线性光谱技术，静态三次谐波技术具有宽带(~1.77-3.10 eV)、高灵敏度 (信噪比优于 200) 等优势（图 2）。同时，作者对于单层 TMD 材料的电子态与非线性光学效应之间的关系进行了数值计算（图 3）：首先利用第一性原理计算得到材料的电子能带结构，通过多体微扰理论，得到了基于时域的三阶非线性光学效应，最终验证了实验结果。该文最后利用瞬态三次谐波技术，测量了不同电子态 (~1.86-2.70 eV) 的动力学弛豫特性（图 4）。该实验展示了瞬态三次谐波技术具有超快 (~fs, sub-ps 响应)、超高调制深度 (~90%) 等优点，极大地补充了目前传统光谱技术。实验和理论结果表明，基于静态和瞬态三次谐波的非线性光谱技术不仅在表征单层二维材料中具有非常重要的应用价值，而且为构筑新型光子和光电子器件如超快全光调制和超快成像等提供了契机。 
图1. 基于二维材料的非线性光谱技术。(a) 基于单层MoS2 的宽带三次谐波示意图，其中标尺为 20 微米. (b) 基于电子态共振的三次谐波示意图。 
图2. 基于单层MoS2 的非线性光谱技术。(a) 宽带三次谐波光谱，插图为部分光谱的放大图。(b) 有效三阶非线性系数随着光子能量的分布曲线。(c) 基于二阶微分的反射光谱，插图为原始反射光谱。 
图3. 基于单层MoS2 非线性光谱的第一性原理计算。(a) 通过单粒子近似 (IPA) 和Bethe-Salpeter equation (BSE) 方法得到的三阶非线性系数随着光子能量的分布。(b) 通过G0W0-BSE计算得到的单层MoS2 的电解质函数的虚部。(c) 激子随着能量分布 (左) 和基于三光子共振的三次谐波 (右) 的示意图。 
图4.基于单层MoS2瞬态非线性光谱技术。(a)瞬态光谱技术的示意图。(b)瞬态三次谐波信号(DPTHG)随着延迟时间的变化曲线。(c)DPTHG随着泵浦功率的变化曲线。插图为其随着泵浦光的偏振依赖性。(d)不同时迟时的宽带瞬态三次谐波 (DPTHG)光谱。(e)快速弛豫时间和 (f)慢速弛豫时间随着光子能量的变化曲线。
论文第一作者为阿尔托大学王亚东博士和Fadil Iyikanat博士；论文通讯作者为阿尔托大学王亚东博士、孙志培教授、和西班牙光子所 F. Javier García De Abajo教授。该研究得到了芬兰科学院和欧盟基金委员会等基金项目的资助支持。

原文链接

Yadong Wang, Fadil Iyikanat, Habib Rostami, Xueyin Bai, Xuerong Hu, Susobhan Das, Yunyun Dai,Luojun Du, Yi Zhang, Shisheng Li, Harri Lipsanen, F. Javier García de Abajo, and Zhipei Sun,Advanced Materials, 2021-11-07,DOI:10.1002/adma.202107104.

http://doi.org/10.1002/adma.202107104

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