近期,西北大学徐新龙教授团队在二维层状半导体材料的非线性光学特性研究方面取得新进展。该团队通过化学气相沉积技术制备了单层—多层WS2、MoS2和Bi2S3半导体薄膜材料,并利用自主搭建的Z扫描平台研究了其层数依赖的三阶非线性吸收特性。结合材料电子结构的变化机理,推断在13层WS2、15层MoS2和5层Bi2S3中会发生从饱和吸收到反饱和吸收的转变,该结果加深了对二维材料非线性光学特性的理解,为基于二维材料光子学器件(如超快激光锁模,光限幅)的设计研发提供了理论支持。相关研究成果以标题“Layer-Dependent Nonlinear Optical Properties of WS2, MoS2, and Bi2S3 Films Synthesized by Chemical Vapor Deposition”发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上,西北大学光子学与光子技术研究所徐新龙教授和周译玄教授为论文通讯作者,研究生卢春辉和罗铭威为论文共同第一作者,该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。 由于存在层间耦合和原子尺度的量子限制效应,二维层状半导体材料在线性和非线性光学领域都表现出层数依赖的光学特性。特别是在非线性光学特性研究中,同种材料在不同报道中既可以表现出饱和吸收,也可以表现出反饱和吸收现象,使得机理分析变得复杂。因此,深入系统地研究二维材料层数依赖的非线性吸收机理具有重要的理论和实践意义。为了实现上述研究,首先需要制备不同层数的高质量二维层状材料。由于机械剥离法和液相剥离技术很难实现材料的大面积层数可控剥离,我们发展了化学气相沉积技术,依据生长动力学的理论基础,通过优化生长参数(前驱体含量、温度和压强等)成功制备了单层—多层WS2、MoS2和Bi2S3薄膜(如图1)。