类黑磷二维材料非线性及超快光学研究

Black phosphorus as a novel two-dimensional material has attracted widespread interests in the international academic community, compared to graphene, as the representative of two-dimensional material. It shows excellent fantastic direct energy bandgap, wide-band optical response and polarization-dependent optical response. In addition, the black phosphorus material family has various rich diverse forms, including few layer black phosphorus, phosphorene oxide, phosphorene quantum dots, phosphorene heterojunction, etc., that can be controllable to tune the optical and electronic properties providing a powerful tool. The project intends to focus the applicant in the pre-dimensional photoelectric materials research a involving efficient two-dimensional material preparation techniques, the use of nonlinear optical measurement techniques (laser scanning Z- and pumping - detection systems). The significance will be channelized by means of wide-band linear and nonlinear optical properties of two-dimensional depth study of black phosphorus material (polarized response, nonlinear optical absorption, nonlinear optical Kerr effect, ultrafast carrier process). The ultimate aim is to reveal the physical non-linear optical effects along with their origins and mechanisms. These significances drive us in the fabrication of interesting black phosphorus-based material in photovoltaic technology applications and also black phosphorus photonic devices such as optical polarizer, saturable absorption devices, etc. with the aid of advanced experimental techniques.

黑磷作为新型二维材料而引起国际学术界的广泛关注，相比于以石墨烯为代表的二维材料，黑磷显示出优异的可调带隙和高度操控能力：拥有可控调节的直接能隙、宽波段光学响应、偏振相关光响应。此外，类黑磷材料家族具有丰富的种类和形式，包括少层黑磷、氧化磷烯、磷烯量子点、磷烯异质结等，这为可控调节其光学和电子学特性提供了强有力的手段。本项目拟在申请人在二维材料光电研究的前期基础上，掌握类黑磷二维材料的可控高效制备技术，利用非线性光学测量技术（激光Z-扫描及泵浦-探测系统），深入研究类黑磷二维材料的宽波段线性和非线性光学特性（偏振光响应、非线性光吸收、非线性光克尔效应、超快载流子过程），揭示其非线光学效应的物理起源与作用机理；在此基础上，制备出若干基于类黑磷材料的光子器件（如光学起偏器、可饱和吸收器件等）为类黑磷材料在光电技术方面的应用奠定实验基础。

黑磷作为新型二维材料而引起国际学术界的广泛关注，相比于以石墨烯为代表的二维材料，黑磷显示出优异的可调带隙和高度操控能力：拥有可控调节的直接能隙、宽波段光学响应、偏振相关光响应。1） 研究了黑磷分散液样品，在中心波长为 800 nm，研究发现在三种脉宽（从纳秒到飞秒）的辐照下，黑磷的三阶非线性极化率虚部、品质因子以及非线性吸收因子与脉宽成正比。2）研究了不同层数黑磷样品分散液吸收特性，使用液相剥离的方法制备了三种不同层数的黑磷，结果表明，不同层数的黑磷分散液都具有饱和吸收性，调制深度随着层数成正比。3）采用溶剂热方法从黑磷体材料成功制备出超小的黑磷量子点，横向尺寸约为2 nm。该制备方法不仅能够得到尺寸均一的黑磷量子点，并且能够实现大规模制备黑磷量子点，拓展了黑磷量子点在光电领域的应用。4）研究了尺寸对黑磷材料的非线性光学性质的影响。通过Z扫描技术和泵浦-探测技术从实验上证实，黑磷纳米片的横向尺寸越小，它的三阶非线性系数越大，调制深度越大，可饱和光强越小，响应时间越短。5）解决了黑磷量子点在潮湿环境下容易氧化的问题。提出采用静电纺丝技术，将黑磷纳米片纺在聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维薄膜中，形成透明均匀的复合纳米纤维薄膜。通过对比黑磷量子点、PMMA和BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜的红外吸收谱，发现BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜完整地保存了黑磷量子点和PMMA的化学性质。由于BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜易制备、抗氧化和均匀透明等优点，将推动黑磷量子点在光电器件中的广泛应用。综上，系统掌握了类黑磷二维材料的可控高效制备技术，利用非线性光学测量技术（激光Z-扫描及泵浦-探测系统），深入研究类黑磷二维材料的宽波段线性和非线性光学特性（偏振光响应、非线性光吸收、非线性 光克尔效应、超快载流子过程），揭示其非线光学效应的物理起源与作用机理；在此基础上，制备出若干基于类黑磷材料的光子器件（如光学起偏器、可饱和吸收器件等）为类黑 磷材料在光电技术方面的应用奠定实验基础。