二维BP/h-BN异质结材料制备及其饱和吸收超快激光特性研究

The black phosphorus (BP), a novel 2D crystals after graphene and transition metal dichalcogenides (TMDs), have recently attracted much attention for its great potential in electronics and optoelectronics due to its bandgap structure, its high carrier mobility, and its anisoropic photoelctronic proterties. However, its structural instablity at ambient conditions is a major challenge to the use of BP for elctronic applications. In this project, we use mechanical cleavage mathod to develop novel heterostructures by vertical integrating of BP and hexagonal boron (h-BN). We will well investigate the structural and electronic properties with first princeples as well as the nonlinear saturated absorption kinetics of passive mode-locking process. The relationship between the BP/h-BN heterostructures saturable absorbed properties and ultrafast pulse self-start and stable operation in satruable absorber(SA) mode-locked process will be extensively studied.Then it will be used as ultrafast pulse modulator in mode-locked fs lasers. The project has important scientific siginicicance and application value for exploring the novel saturable absorbers and investigating the novel solid-state ultrafast laser devices.

黑磷（BP）是继石墨烯和过渡金属硫化物之后又一新型二维光电功能材料，因具有独特的能带结构、较高的电子迁移率和各向异性等优点，近两年来受到人们的强烈关注。但是，BP在空气中很容易被氧化，这严重影响了材料与器件的性能，限制了它在光电器件中的应用。本项目提出在二维层状BP薄膜上堆叠性质稳定的六方氮化硼（h-BN）形成二维BP/h-BN异质结，提高材料与器件的工作稳定性和使用寿命。本项目以不同层数二维BP/h-BN异质结为研究对象，开展其能带结构和非线性饱和吸收被动锁模动力学过程的理论研究；研究材料失效机理，提高器件实用性；深入研究BP/h-BN异质结的微观结构（层数、堆叠方式等）与非线性饱和吸收宏观参量以及锁模超短脉冲的自启动和稳定过程之间的内在关系；并将其应用到全固态激光器中，实现飞秒锁模超短脉冲输出。本项目对探索新的光学可饱和吸收材料，研发新型全固态超快激光器件具有重要的科学意义和应用价值。

本项目面向二维BP的非线性光学特性及其在脉冲激光器件中的应用，针对二维BP容易老化问题，提出制备二维BP/h-BN异质结提高BP的稳定性，探索大尺寸高质量二维BP、BP/h-BN异质结及其他二维材料薄膜的设计与制备技术；开展BP/h-BN异质结复合材料界面相互作用能和能带结构及其作为可饱和吸收体的被动锁模超快激光动力学研究；深入研究非线性饱和吸收锁模动力学过程的宏观参量与二维BP和BP/h-BN异质结的微观结构（层数、尺寸、堆叠方式等参数）之间的内在关系。在此基础上，将二维BP和BP/h-BN异质结应用到全固态激光器件中，实现飞秒时域锁模超快激光输出。本项目的意义在于探索新型可饱和吸收二维材料，拓展获得可靠锁模被动调制元件的技术和方法，为研发新型全固态超快脉冲激光器提供有力的技术支持。项目执行期内，采用第一性原理研究了二维BP/h-BN异质结掺杂离子对电学和光学结构特性的影响，实验上制备了二维BP/h-BN异质结、BP-PVA饱和吸收体薄膜、BP/Te异质结、二维GeP、ReS2、G/MoS2异质结等新型的二维材料及相关异质结结构，解决了BP环境稳定性差的难题，并采用泵浦探测、Z扫描等实验手段对不同二维材料的载流子超快动力学和非线性光学特性进行了系统研究，将其应用到脉冲激光器件中，实现了调Q纳秒、锁模皮秒甚至飞秒的脉冲激光输出。共发表SCI论文28篇，申请发明专利3项（授权1项）。培养博士研究生5人，硕士研究生3人。综上所述，本项目研究内容和成果满足任务书的要求，达到了预期目的。