同济大学在表面端基调制MXene非线性光学吸收性能研究方面取得重要进展

       近日，同济大学化学科学与工程学院黄智鹏教授、张弛院士团队通过电化学手段调控碳化钛MXenes材料表面端基类型，调制MXenes材料非线性光学吸收性能，研究取得了重要进展，相关研究成果发表在《ACS纳米》（ACS Nano, 2022, 16(1), 394-404）上。 

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        随着激光技术的发展，非线性光学材料在激光、通信、材料分析等领域具有广阔的发展前景。二维非线性光学材料因其强激子效应、超快载流子动力学、高电荷离域性等特点，在各种非线性光学材料中脱颖而出，成为非线性光学材料的研究热点。已有研究表明，石墨烯、黑磷、金属硫化物、MXenes等物质具有良好的非线性光学性能。然而二维非线性光学材料的商业化应用一直受其性能不一致的阻碍，合成手段不同的相同材料甚至表现出截然相反的非线性光学性能。因此，研究二维材料的可重复合成和非线性光学性能与其结构的构效关系是二维非线性光学材料的研究重点。 研究人员利用电化学手段调控碳化钛MXenes材料表面端基类型，揭示了材料非线性光学性能与表面端基之间的构效关系，提出基于二维材料表面端基类型的非线性光学吸收性能调控策略。研究发现，在不同的电化学电势下碳化钛纳米片的主要端基类型发生变化。在515 nm波长光激发下，=O端基占优的MXenes材料（端基数量均与未进行调控的初始样品比较）表现出饱和吸收响应，相同测试条件下，?OH端基占优的样品以及未对端基进行调节的初始样品则表现出反饱和吸收响应。在800 nm波长光激发下，不同端基MXenes材料均表现出反饱和吸收响应，但性能的大小与端基种类相关，?OH端基占优的样品性能更强。研究结果不仅说明了表面端基类型对二维材料非线性光学性能具有重要影响，而且也提供了一种方便有效的动态调制MXenes非线性光学性能的手段。

图1.二维材料MXenes的非线性光学测试

        在515 nm波长光激发下，原始状态以及?OH端基占优的MXenes样品由于激发态吸收呈反饱和吸收的状态，对于=O端基占优的样品，在费米能级以上的能带较少，可积累激发电子的空带数量减少，抑制了激发态吸收，当激光强度增加时，会出现泡利阻塞效应，导致饱和吸收响应。在800 nm波长光激发下，由于MXenes在645~755 nm的波长下具有等离子体共振吸收。在等离子体共振中，光子被费米能级附近的电子吸收，增加了电子的温度，因此，激发样品的共振峰发生红移，导致线性等离子体共振峰在低能和高能侧表现不同的非线性光学响应。

       对于波长小于共振峰波长的光子，吸收减少，出现光子漂白；而对于波长大于共振波长的光子可能出现光子诱导吸收。实验的吸收波长小于800 nm，因此出现反饱和吸收响应，响应强度与激发波长和等离子体共振峰中心的距离有关，激发波长越接近共振峰的中心，吸收的增加幅度越小，反饱和吸收越弱。因此?OH端基占优的MXenes样品在800 nm波长下的反饱和吸收响应更强。 

       同济大学化学科学与工程学院博士后李卉和博士研究生陈赛仪为论文的共同第一作者，黄智鹏教授和张弛院士为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、教育部创新团队、科技部重点领域创新团队和上海市教委科创计划重点项目等支持。