锂石墨烯插層材料:一種新型可調光學倍頻材料

文章来源:光电所 发表时间:2020-07-03

  以石墨烯(Graphene)爲主要代表的二維材料是本世紀初由英國曼徹斯特大學安德烈·蓋姆(A. K. Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(K.S. Novoselov)教授發現的全新的物質材料形態。與傳統三維材料相比,石墨烯具有超高的載流子遷移率、超高的熱導率、超寬的響應波段等優異的光電性能,在微電子器件、光電感知、集成光子學等方面有著廣闊的應用前景。近年來,石墨烯的非線性光學特性成爲科學研究的前沿和熱點,被認爲是未來最有潛力的非線性光學材料之一。    

  二次諧波(倍頻效應)是一種二階非線性光學效應,它的産生需要被探測材料滿足中心反演對稱破缺的要求,對于中心反演對稱的結構是無法觀察到二次諧波的。對材料二次諧波信號的研究,是獲取原子、分子微觀性質信息的重要技術手段,有助于深入理解光與物質相關作用的過程。石墨烯具有中心反演對稱的結構,不具有二次諧波信號。如何誘導並實現對其倍頻效應特性調控是一個技術難點。   

  受锂電池工作原理的啓發,中國科學院光電技術研究所前沿科學與技術研究院與新加坡國立大學、國防科技大學的研究人員合作構建了類似于锂離子電池的石墨烯插層器件。在保持石墨烯二維結構的前提下,將锂金屬插入石墨烯範德瓦爾斯層間,形成具有超分子結構锂石墨烯插層材料。锂金屬的嵌入可以精確調控石墨烯中電子帶間、帶內躍遷過程以及電子-聲子相互作用過程,進而實現石墨烯二次諧波特性可控調控。研究人員調節石墨烯層間锂離子的數量,實現了對石墨烯二次諧波信號的可控調控。與傳統的電場調控、表面摻雜等方法相比,插層調控具有調控範圍大,調控過程可控、可逆,器件狀態可以實現不帶電保持等優點。這項研究揭示了锂石墨烯插層材料優異的非線性光學性質,作爲一種全新的可調光學倍頻材料,其將對先進納米光子器件的發展起到重要作用。在本工作中,作者還展示了厘米量級樣品的制備。 

    

   

  锂石墨烯插層材料表征。(a b)锂石墨烯插層材料的結構示意圖;(c)锂石墨烯插層材料器件示意圖;

de)石墨烯插層前後光學照片;(f)石墨烯插層前(黑色曲線)後(紅色曲線)光學反射譜 

   

  2 锂石墨烯插層材料在不同插層狀態下的二次諧波信號 

    

  二次諧波信號的産生表明锂插層石墨烯材料中具有反演對稱性破缺現象,有望用于修正锂插層石墨烯P6/mmm對稱性結構的理論模型,對于理解石墨烯插層材料的新奇物理特性,如超導、電荷密度波等,也具有重要意義。 

   

  厘米尺度石墨烯插層材料的制備。

a)厘米尺度石墨烯插層前、後和脫插的光學照片;(d)厘米尺度石墨烯插層前(黑色曲線)、後(紅色曲線)和脫插(藍色曲線)的二次諧波信號 

    

  該工作以“Inversion symmetry breaking in lithium intercalated graphitic materials”爲題發表在國際知名期刊ACS Applied Materials & Interface(期刊影響因子8.456)。

     论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c06735 

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