层状半导体主动调制非线性光谱特性研究

Owing to 2D geometry and quantum size effect, layered transition metal dichalcogenides exhibit similar fundamental physical properties, while showing significant difference in many optoelectronic characteristics, which brings the 2D semiconductors superiority in developing novel optoelectronic modulators. However, due to the absence of intensive study of nonlinear absorption (NLA) property-structure relationship and the lack of intrinsic absorption in near infrared, the performance of the 2D semiconductor-based photonic modulators, say, mode-lockers and ultrafast optical switches, is confronting a serious bottleneck. We propose to study the fundamental NLA effect in the 2D semiconductors, by a fine micro-scale in situ NLA measurement and an active modulation via a bias voltage, to overcome the bottleneck, i.e., infrared absorption enhancement and optimization of 2D materials and devices. We will develop a confocal micro-imaging mapping technique to conduct the micro-scale in situ NLA spectroscopic measurement, which will address the problem that the conventional NLA measurement technique is unable to characterize the complex structure of layered micro-crystals. We will analyze the influence of external electric field, layer number distribution, defects and edge states on the NLA effect, understand the physical mechanism of NLA and modulation characteristics of the layered semiconductors, optimize design and fabrication of materials and nonlinear modulators, to realize breakthrough of performance of the 2D semiconductor-based active modulation devices.

过渡金属硫化物半导体的二维层状结构和量子限制效应使其在基本物理性质上与半导体量子阱类似，但在光电子学特性上又具有许多显著差异，这使其在开发新型光电调制器件方面独具优势。然而，由于目前缺乏精确的非线性光学构性关系研究以及缺少显著的本征红外吸收，使层状半导体锁模等超快光调制器件的性能始终无法突破瓶颈。本项目将在前期工作基础上开展二维半导体非线性吸收物理特性研究，通过分析外电场主动调制下的微区原位非线性吸收光谱特性，解决材料和器件优化以及红外吸收增强等瓶颈科学问题。创新发展基于共焦显微成像mapping技术的微区原位非线性吸收光谱测量系统，针对性解决常规非线性吸收测试技术无法进行表征的层状晶畴复杂微区结构非线性吸收光谱测量难题，通过外加电场、层数分布、缺陷态、边缘态等对超快光场非线性吸收效应的分析，掌握层状半导体的非线性吸收物理机理和调制规律，为开发高性能主动光调制器件奠定良好的物理基础。

精确的非线性光学构性关系研究对开发基于二维纳米材料的新型光电调制器件非常重要，该项目在前期工作基础上针对MoS2等过渡金属硫化物、生物碲、PtS等层状及非层状半导体的非线性吸收、非线性折射、受激布里渊散射等光学特性进行研究，揭示了其三阶非线性物理机制，提出并验证了非线性光学特性的调控策略，发展了相应的饱和吸收器、光限幅器等调制器件和技术。重要结果如下：.1)系统研究了微生物合成Te纳米材料的非线性光学特性，并验证其光子学应用。.2)研究了非层状半导体PtS和层状材料PtSe2的非线性光学特性、超快载流子动力学和相干声子动力学特性。.3)研究了缺陷以及层数对于MoS2和WS2等过渡金属硫化物二维半导体的非线性光学吸收特性的影响及三阶非线性物理机制。.4)研究了MoS2等过渡金属硫化物及黑磷（BP）等二维半导体的光学非线性吸收特性，揭示了其三阶非线性物理机制，实现了二维材料的全光调制，发展了相应的超快吸收型光子调制器件和技术。.5)设计制备了基于二维纳米的超快光调制器件和锁模激光器、光限幅器。.受本项目资助，在Nature Communications、ACS Nano、Laser & Photonics Reviews等期刊发表SCI论文35篇。申请发明专利2项，获授权发明专利2项。国际国内会议口头报告30余人次，其中境外举办会议7人次。项目负责人入选上海市优秀学术带头人（2017年）、第十二届中国硅酸盐学会青年科技奖（2018年）、创新人才推进计划中青年科技创新领军人才（2019年）、万人计划-科技创新领军人才（2019年）、上海市先进工作者（2020年）；培养研究生7人，其中已毕业博士4人，已硕士1人，获“研究生国家奖学金”3人次、“朱李月华优秀博士生奖学金”2人次、上海市优秀毕业生1人次。