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

該團(tuán)隊(duì)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(xué)吸收性能和更大的調(diào)制深度。有機(jī)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(xué)響應(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)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(dá)69%，激光損傷閾值低至5.17×10^-5 Jcm^-2。研究人員通過光譜學(xué)研究發(fā)現(xiàn)季銨離子的電化學(xué)插層并未將缺陷引入SnS2，并將性能提升歸因于有機(jī)離子插層形成的有機(jī)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(qiáng)，使材料體現(xiàn)更大的有效非線性光學(xué)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(xué)吸收材料，也表明有機(jī)離子插層可成為一種提高二維材料非線性光學(xué)吸收性能的有效策略。

圖1. (a)SnS2的有機(jī)離子電化學(xué)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(xué)插層產(chǎn)物的X射線衍射圖譜(d)相關(guān)樣品的(001)面間距(e)相關(guān)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(xué)插層方法將不同季銨離子嵌入SnS2納米片層間，形成有機(jī)無機(jī)超晶格結(jié)構(gòu)。超晶格結(jié)構(gòu)中無機(jī)層的間距可由季銨離子碳鏈長度調(diào)控。有機(jī)無機(jī)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(guān)樣品在不同波長下的非線性光學(xué)吸收系數(shù)，該研究工作樣品和文獻(xiàn)典型非線性光學(xué)吸收材料的不同非線性光學(xué)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