非線性光學吸收材料在人工智能芯片、光線幅、光開關和脈沖激光產(chǎn)生等領域具有重要的科學價值和實際應用前景。雖然二維材料是一類極具前景的非線性光學材料，但當前二維材料的性能提升策略難以同時實現(xiàn)非線性吸收系數(shù)和調(diào)制深度的提升。近日，同濟大學化學科學與工程學院黃智鵬教授、張弛院士研究團隊提出了一種巧妙方法，通過季銨離子插層實現(xiàn)了二維材料(SnS2)非線性光學吸收系數(shù)和調(diào)制深度的同步提升，相關研究成果“Prominent Nonlinear Optical Absorption in SnS2-Based Hybrid Inorganic–Organic Superlattice”發(fā)表于國際材料學著名學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。

該團隊研究發(fā)現(xiàn)，隨著季銨離子碳鏈長度的增加，插層產(chǎn)物具有更高的非線性光學吸收性能和更大的調(diào)制深度。有機離子插層策略可有效提升SnS2的飽和吸收、雙光子吸收和三光子吸收等多種非線性光學響應的性能，在515nm至1550nm波長范圍內(nèi)均可有效提升SnS2的非線性光學吸收性能。十六烷基三甲基銨離子插層的SnS2具有最高的非線性光學吸收系數(shù)和調(diào)制深度，其中，在800nm激光激發(fā)下非線性光學吸收系數(shù)為(9.847±0.084)×10³cmGW^-1（21.27倍性能提升），調(diào)制深度可達69%，激光損傷閾值低至5.17×10^-5 Jcm^-2。研究人員通過光譜學研究發(fā)現(xiàn)季銨離子的電化學插層并未將缺陷引入SnS2，并將性能提升歸因于有機離子插層形成的有機無極超晶格結(jié)構(gòu)：該超晶格結(jié)構(gòu)可顯著降低材料的有效介電常數(shù)，從而提高激光照射時材料內(nèi)部的有效光強，使材料體現(xiàn)更大的有效非線性光學吸收系數(shù)。該發(fā)現(xiàn)報道了一類新型高性能的非線性光學吸收材料，也表明有機離子插層可成為一種提高二維材料非線性光學吸收性能的有效策略。

圖1. (a)SnS2的有機離子電化學插層示意圖(b)插層產(chǎn)物的典型掃描電子顯微鏡圖像(c)原始SnS2和電化學插層產(chǎn)物的X射線衍射圖譜(d)相關樣品的(001)面間距(e)相關樣品的吸收光譜，其中CTA為十六烷基三甲基銨，OTA為八烷基三甲基銨

研究人員采用電化學插層方法將不同季銨離子嵌入SnS2納米片層間，形成有機無機超晶格結(jié)構(gòu)。超晶格結(jié)構(gòu)中無機層的間距可由季銨離子碳鏈長度調(diào)控。有機無機超晶格結(jié)構(gòu)帶隙相對原始SnS2發(fā)生帶隙收縮。作者通過第一性原理計算指出該帶隙減小源于插層過程帶來的SnS2層電荷積累。

圖2. SnS2、SnS2/CTA和SnS2/OTA在(a)515nm(b)800nm和(c)1550nm飛秒激光激發(fā)下的Z掃描測試曲線(d)相關樣品在不同波長下的非線性光學吸收系數(shù)，該研究工作樣品和文獻典型非線性光學吸收材料的不同非線性光學吸收特性對比(e)飽和吸收(f)雙光子吸收(g)三光子吸收(h)光限幅閾值