文稿分析曹浩然組會(huì)

1、新型二維材料匯報(bào)人：曹浩然內(nèi)容概要二維材料概述新型二維材料及其應(yīng)用二維材料概述二維材料是指一維方向上處于納米尺度的材料，尺寸效應(yīng)和大的表面效應(yīng)使材料具有某些特殊的性質(zhì)，并在物理、化學(xué)及材料科學(xué)方面有著廣泛的潛在應(yīng)用，因此，對(duì)二維材料的科學(xué)研究具有非常重要的意義。二維材料的提出是伴隨著2004年曼切斯特大學(xué)安德烈K海姆小組成功分離出單原子層的石墨材料石墨烯（graphene）提出來(lái)的。二維材料具有單原子層厚度，和它們的體相相比，由于其具有獨(dú)特的性質(zhì)而引起了人們極大的興趣，目前比較熱門的二維材料包括：石墨烯、過(guò)渡金屬二硫化物、黑磷、拓?fù)浣^緣體等。二維材料概述原子結(jié)構(gòu)石墨烯是由sp2雜化的碳原子緊密

2、排列而形成的蜂窩狀二維晶體，是構(gòu)成石墨、碳納米管、富勒烯等多種碳材料的基本組成單元。石墨烯結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)石墨烯是一種典型的半金屬材料，其導(dǎo)帶和價(jià)帶呈圓錐形，且交于一點(diǎn)，純凈的石墨烯為零能帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)摻雜可以改變石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)。石墨烯結(jié)構(gòu)線性光學(xué)性質(zhì)單層石墨烯可以吸收大約2.3%的垂直入射光，且吸收光的波長(zhǎng)覆蓋了可見(jiàn)和紅外光。石墨烯性質(zhì)非線性光學(xué)性質(zhì)當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，石墨烯對(duì)其的吸收會(huì)達(dá)到飽和，這一非線性光學(xué)行為稱為飽和吸收。石墨烯性質(zhì)飽和吸收能量密度為60.7J/cm2,調(diào)制深度為2.5%其他性質(zhì)優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)：最薄最堅(jiān)硬的納米材料、大的比表面積2630m2/g；電學(xué)性質(zhì)：超高的

3、載流子遷移率2*105cm2V-1s-1，比硅快100倍，比砷化鎵快20倍；良好的柔韌性、穩(wěn)定性和生物兼容性。石墨烯性質(zhì)基于石墨烯的光調(diào)制器光學(xué)調(diào)制是改變光的一個(gè)或多個(gè)特征參數(shù)，并通過(guò)外界各種能量形式實(shí)現(xiàn)編碼光學(xué)信號(hào)的過(guò)程。基于石墨烯的光調(diào)制器具有鮮明的優(yōu)勢(shì)：1、光與石墨烯強(qiáng)烈的相互作用；2、寬帶寬操作；3、高速運(yùn)行；4、石墨烯獨(dú)特的光電性能。石墨烯應(yīng)用直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)石墨烯光調(diào)制器Liu M等將石墨烯材料鋪覆在硅波導(dǎo)表面，通過(guò)電調(diào)諧石墨烯材料的費(fèi)米能級(jí)，改變材料的光吸收特性，實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)“0”和“1”之間的開關(guān)調(diào)制。它的調(diào)制深度與調(diào)制帶寬分別能達(dá)到0.16dB/m和1GHz。石墨烯應(yīng)用Liu M.

4、 Double-Layer graphene opticalmodulator J . Nano Lett石墨烯在激光器上的應(yīng)用超短脈沖激光器的實(shí)現(xiàn)主要有調(diào)Q和鎖模兩種方法，且都有主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式，相對(duì)而言，被動(dòng)鎖模和被動(dòng)調(diào)Q方法，由于不需要外加電場(chǎng)或光場(chǎng)調(diào)制，只需要在激光腔內(nèi)插入SA即可實(shí)現(xiàn)，更加方便高效、易于實(shí)現(xiàn)。石墨烯具有超寬的光譜工作范圍，飛秒級(jí)超快電子弛豫時(shí)間、高的熱損傷閾值等特點(diǎn)，成為備受關(guān)注的新型可飽和吸收體材料。石墨烯應(yīng)用基于石墨烯的鎖模光纖激光器應(yīng)用三明治結(jié)構(gòu)：通過(guò)將石墨烯轉(zhuǎn)移到FC/PC光纖接頭端面上，通過(guò)連接器將其與另一個(gè)FC/PC光纖接頭串聯(lián)，從而整合到激光腔中。石墨

5、烯應(yīng)用Sun Z A stable , wideband tunable ,near transform-limited , graphene-mode-locked , ultrafast laserJ. Nano Research基于石墨烯的調(diào)Q光纖激光器應(yīng)用將用于光纖調(diào)Q激光器中的石墨烯整合到光纖激光腔中的方式主要是三明治結(jié)構(gòu)，通常是將石墨烯插在兩個(gè)FC/PC光纖接頭之間，利用錐形光纖耦合石墨烯以獲得大功率脈沖輸出。石墨烯應(yīng)用Liu C High-energy passively Q-switched 2 m Tm3+-doped double-clad fiber laser usin

6、g graphene-oxide-deposited fiber taper J . Optics Express石墨烯在固體激光器上的應(yīng)用目前，石墨烯已被應(yīng)用于Ti:Sapphire、Nd:YAG、Cr:YAG、Cr:ZnS等固體激光器中，其輸出脈沖的波長(zhǎng)覆蓋了800nm、1m、1.25 m、1.4 m、1.5 m、2 m等波段，最大輸出功率達(dá)到瓦級(jí)，輸出脈寬小于100fs，這些參數(shù)顯示了石墨烯應(yīng)用于固體激光器領(lǐng)域所取得的巨大成功。石墨烯應(yīng)用石墨烯應(yīng)用傳感器石墨烯表面等離子體可以視為表面電子的集體振蕩，通過(guò)與其它能量的耦合獲得一定的能量和動(dòng)量從而在材料表面進(jìn)行傳播。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，石墨

7、烯的表面等離子體具有低損耗、高局域性和寬波段激發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，并且可以利用柵極電壓或化學(xué)摻雜的方法調(diào)節(jié)在石墨烯表面?zhèn)鞑サ牡入x子體。石墨烯表面等離子體基于石墨烯等離子體的太赫茲激光器石墨烯能夠吸收太赫茲光波并激發(fā)出等離子體而實(shí)現(xiàn)帶間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此外，等離子體增益很大，這為制作太赫茲激光器提供理論依據(jù)。石墨烯表面等離子體的應(yīng)用基于石墨烯等離子體的波導(dǎo)、調(diào)制器和偏振器石墨烯等離子體可以和光子耦合形成準(zhǔn)粒子并在其表面進(jìn)行傳播，利用表面等離子體激元的傳播特性，可實(shí)現(xiàn)基于石墨烯等離子的波導(dǎo)、調(diào)制器和偏振器。二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）TMDCs的基本化學(xué)式為MX2，其中M為第V副族元素或第VI副族元素，X為

8、硫族元素。類似于石墨烯，二維過(guò)渡金屬硫化物也是一種層狀材料，層與層之間通過(guò)范德瓦爾斯力相互作用，可以通過(guò)剝離的方法得到單層。二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）結(jié)構(gòu)以MoS2為例:單層MoS2由三層原子層構(gòu)成，中間一層為Mo原子層，上下兩層均為硫原子層，Mo原子層被兩層硫原子層所夾形成類“三明治”結(jié)構(gòu)，多層MoS2由若干單層二硫化鉬組成，一般不超過(guò)五層，層間存在弱的范德華力，層間距約為0.65nm。二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)當(dāng)TMDCs由塊狀材料變?yōu)槎S結(jié)構(gòu)時(shí)，電子能帶結(jié)構(gòu)由間接帶隙變?yōu)橹苯訋?，其光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為光致/電致發(fā)光、吸收光譜、振動(dòng)光譜、光伏效應(yīng)等的

9、變化且對(duì)于半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)能帶間隙直接影響其對(duì)光的吸收和發(fā)散，并且直接能帶間隙對(duì)光的利用更徹底。二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）性質(zhì)傳感性能在傳感器方面，二維TMDCs的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：1、二維幾何結(jié)構(gòu)的高比表面積可提高濃度檢測(cè)極限；2、高的電子遷移率可提高器件的響應(yīng)速率；3、高的強(qiáng)度及韌性使之可用于制備柔性傳感器器件；4、高的表面化學(xué)活性可以提高化學(xué)分子的檢測(cè)靈敏度和識(shí)別度。二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）性質(zhì)與石墨烯異質(zhì)及復(fù)合結(jié)構(gòu)石墨烯和二維TMDCs同為二維材料，分別有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，因此，在合成過(guò)程中將這兩類不同的二維材料組合在一起形成異質(zhì)結(jié)或復(fù)合材料，將獲得很多新特性。二維TMDC

10、s/石墨烯異質(zhì)結(jié)之間為二維界面，這為相關(guān)物理性質(zhì)的研究提供了獨(dú)特的材料體系，對(duì)于其的研究才剛剛起步，還有許多新奇特性值得探索。二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）應(yīng)用二硫化鉬（MoS2）塊狀二硫化鉬是間接帶隙半導(dǎo)體，在光譜上沒(méi)有特征吸收峰；而類石墨烯二硫化鉬是直接帶隙半導(dǎo)體，其特征吸收峰在紫外吸收光譜上位于620nm和670nm處。當(dāng)塊狀二硫化鉬被剝離至薄層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熒光且熒光強(qiáng)度與二硫化鉬的層數(shù)成反比，而塊狀二硫化鉬則沒(méi)有熒光特征峰。二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）應(yīng)用晶體管目前報(bào)道的基于單層MoS2的光電晶體管，其光響應(yīng)度達(dá)到了880A/W，可與基于硅的光電晶體管相比擬，而以MoS2/石墨烯復(fù)

11、合材料組裝的光電器件，室溫條件下其光響應(yīng)度甚至超過(guò)了108A/W，有望獲得更佳的實(shí)際應(yīng)用。傳感器目前， MoS2用于的NO傳感器和NO2傳感器都具有很高的氣體靈敏度，而基于單層和多層MoS2的光晶體管具有良好的光敏感性，能用作光傳感器 。激光器飽和吸收體Juan Du等設(shè)計(jì)了基于MoS2的飽和吸收體器件，主要是將MoS2涂敷在錐形光纖的端面上，而后將該SA接入光纖激光器腔內(nèi)研究其鎖模能力，以975nm激光作為泵涌光， 泵涌功率為210mW輸出信號(hào)的中心波長(zhǎng)、二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）應(yīng)用平均輸出功率和脈寬分別為1042.6nm、2.37mW和656ps。Juan Du Ytterbium

12、-doped fiber laser passively mode locked by few-layer Molybdenum Disulfide (MoS2) saturable absorber functioned with evanescent field interaction Science Reports二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）應(yīng)用二硫化鎢（WS2）與二硫化鉬類似，均為層狀材料，且單層為直接帶隙半導(dǎo)體，理論計(jì)算給出單層WS2能隙為1.55eV。目前對(duì)基于二硫化鎢的光探測(cè)器進(jìn)行研究，其光響應(yīng)度相較于二硫化鉬有三個(gè)數(shù)量級(jí)的提升，是目前為止報(bào)道中基于TMDCs中性能最好的；對(duì)

13、二硫化鎢在光致發(fā)光器件的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，在同樣情況下，單層二硫化鎢的發(fā)光強(qiáng)度是單層二硫化鉬的53倍；表明了二硫化鎢在光電器件領(lǐng)域潛在的應(yīng)用前景！激光器飽和吸收體Peiguang Yan等設(shè)計(jì)了基于WS2飽和吸收體的摻鉺光纖激光器，該飽和吸收體具有低插入損耗和高能量閾值等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在54mW的泵涌光功率下，得到了脈沖寬度為675fs、SNR為65dB的光孤子脈沖，在395mW的泵涌光功率下，得到了452fs和48dB的脈沖。二維過(guò)渡金屬硫化物（TMDCs）應(yīng)用Peiguang Yan Microfiber-based WS2-film saturable absorber for ultra

14、-fast photonics OPTICAL MATERIALS EXPRESS二維黑磷材料結(jié)構(gòu)塊狀黑磷與石墨類似，為層狀結(jié)構(gòu)，單個(gè)晶胞中含有八個(gè)原子，鍵長(zhǎng)為2.18，平均鍵角為102度，計(jì)算密度為2.62gcm-3。隨著壓力的變化，黑磷結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，主要有兩次可逆的結(jié)構(gòu)改變，分別在5.5GPa和10GPa。二維黑磷材料性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)黑磷能帶間隙會(huì)隨著材料層數(shù)的減少而增大，由0.3eV變?yōu)?eV，但與MoS2不同的是，層狀BP仍為直接帶隙半導(dǎo)體，可以通過(guò)摻雜將其改性為p型或n型半導(dǎo)體?；谳^少層黑磷的場(chǎng)效應(yīng)器件，測(cè)量出在室溫下其電子遷移率超過(guò)300cm2/V-1S-1，漏極電流調(diào)制約為103

15、，在低溫條件下，其開關(guān)比超過(guò)105，而且該器件表現(xiàn)出電子和空位傳導(dǎo)的性能。二維黑磷材料性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，多層黑磷的吸收光譜受其樣品厚度、摻雜狀態(tài)以及入射光的偏振態(tài)的影響比較明顯，特別是在中紅外和近紅外波段，隨入射光頻率的改變，吸收光譜變化明顯。二維BP具有非線性光學(xué)效應(yīng)，通過(guò)寬帶Z掃描測(cè)量技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，多層BP可以作為新型的二維飽和吸收體，具有寬頻工作帶寬，在可見(jiàn)光到中紅外波段內(nèi)表現(xiàn)出明顯的飽和吸收性質(zhì)，有望應(yīng)用于被動(dòng)鎖模、調(diào)Q激光器、光開關(guān)等器件。二維黑磷材料應(yīng)用基于二維BP的光纖激光器Yu Chen等人通過(guò)將基于BP的飽和吸收體器件接入全光纖摻鉺光纖激光諧振腔中來(lái)研究BP作為SA的

16、性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以分別獲得最大脈沖能量為94.3nJ的被動(dòng)調(diào)Q激光器和脈沖寬度低至946fs的被動(dòng)鎖模激光器，這表明BP可以作為一種有效的光纖或固體激光器的飽和吸收體。二維拓?fù)浣^緣體拓?fù)浣^緣體是最近幾年發(fā)現(xiàn)的一種全新的物質(zhì)形態(tài)，具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，這類材料體內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型，然而在該類材料的表面則總是存在自由電子態(tài)，因而導(dǎo)致其表面總是金屬性的。相比于石墨烯，拓?fù)浣^緣體具有低的飽和吸收強(qiáng)度、高的三階非線性系數(shù)、寬波段近紅外吸收的特點(diǎn)，逐漸在可飽和吸收體材料脫穎而出，稱為新型的可飽和吸收體。二維拓?fù)浣^緣體應(yīng)用劉京徽等使用拓?fù)浣^緣體Bi2Se3作為可飽和吸收體，對(duì)半導(dǎo)體激光（LD）端面抽運(yùn)Yb：KGW固體激光器進(jìn)行被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)，獲得了窄寬帶為1.5s，中心波長(zhǎng)1042