具有新奇非線性特性以及超快寬帶紅外可飽和吸收的光學材料的開發(fā)和應用極大地促進了現(xiàn)代光子學、光電子學等領域的發(fā)展。半導體的能帶寬度和載流子密度是設計材料新奇特性和超快寬帶紅外非線性的先決條件和基礎。在本論文中,我們使用Z掃描測量技術和瞬態(tài)吸收光譜研究了過渡金屬硫族化合物(TMDCs,包括MoS_2、WSe_2和TiS_2)和硒氧化鉍(Bi_2O_2Se)的特殊非線性響應以及超快載流子動力學,為理解和設計基于這些材料的光(電)子器件打下了基礎。按研究的材料類別,本論文可以分為兩大部分。第一部分主要是過渡金屬硫族化合物(包括MoS_2、WSe_2和TiS_2)的特殊非線性行為及載流子動力學的研究。1.單層MoSe_2的CVD制備以及基于能帶動態(tài)變化的寬度可飽和吸收特性研究。在少層或者單層的TMDCs體系中,由于介質屏蔽的增加,光生載流子容易形成激子(電子-空穴)、帶電激子等多體電子能態(tài)。載流子密度增加會改變這些激子能態(tài),引起能帶重整效應。遠低于能帶寬度的頻譜引起的飽和吸收行為可能和這種能帶重整有關。為了驗證這個假設,我們采用CVD技術制備了具有均勻厚度的單層MoSe_2,其帶寬為1.53 eV,Z掃描測試表明單層MoSe_2在800 nm(1.55 eV)和1550 nm(0.80 eV)具有顯著的可飽和吸收特性。為了解釋這種遠低于其本征禁帶寬度的頻譜引起的寬帶可飽和吸收特性的機理,我們首先計算了單層MoSe_2中的載流子密度,發(fā)現(xiàn)在近紅外脈沖輻照下,載流子密度超過Mott轉變閾值,使絕緣半導體MoSe_2轉變成電子(空穴)等離子體MoSe_2。載流子濃度急劇升高并超過Mott轉變閾值帶來兩個結果:一是粒子數(shù)反轉誘導的能帶減小約為0.5 eV(1550 nm輻射時);另一個是載流子溫度升高造成能帶減小0.51 eV(1550nm輻射時)。粒子數(shù)反轉和載流子溫度升高的共同效應使單層MoSe_2的能帶由最初的1.53 eV減小至0.52 eV(脈沖輻射時)。本部分從實驗上證明了單層MoSe_2的近紅外寬帶可飽和吸收特性,并基于多體相互作用的理論,首次引入動態(tài)能帶變化機理理解可飽吸收響應。2.多層WSe_2的CVD制備以及聲子輔助的反斯托克躍遷引起的反飽和吸收特性研究。TMDCs系統(tǒng)中激子能級通常位于導帶邊緣,采用能帶共振區(qū)域附近的光泵浦TMDCs時,會發(fā)生很強的激子共振效應,提高激子-聲子相互作用和光學非線性特性。為了提高光-物質相互作用,我們采用CVD技術制備具有均一厚度的多層WSe_2(厚度為~55 nm)。為此,我們通過能帶計算、PL技術得到多層WSe_2的能帶在1.44 eV附近。800 nm(1.55eV)的泵浦光恰好位于能帶邊緣,拉曼和PL的共振提高效應也說明了這一點。Z掃描測量表明即使泵浦光能量大于能帶寬度,多層WSe_2仍然吸收光子,同時湮滅聲子,實現(xiàn)反飽和吸收響應。更重要地是光限幅閾值為~21.6 m J cm~(-2),這低于目前報道的其他800nm飛秒脈沖激光防護材料的閾值。本部分證明了激光共振區(qū)域聲子輔助的反斯托克類型的非線性行為,更低的光限幅閾值為多層WSe_2的實際應用提供了更大的潛力。3.非平衡電子誘導的TiS_2超快可飽和吸收響應和飛秒鎖模激光產(chǎn)生。電子材料受到超快激光照射時誘導的非平衡分布電子不僅能擾動費米能級,而且能提升非線性性能。具有半導體-半金屬雙性的材料受到脈沖激光泵浦時,電子密度迅速升高,增強材料的金屬性。實驗結果表明TiS_2具有近紅外寬帶超快光開關的特性:(1)Z掃描測試表明在800 nm和1550 nm具有寬帶可飽和吸收行為;(2)瞬態(tài)吸收光譜表明TiS_2具有超快的光響應(~768 fs)和大的調制深度(~145%)。這是由于脈沖激光誘導的表面電子使半導體類型的Ti S_2表現(xiàn)出更多的金屬特性。與此同時,我們搭建了基于TiS_2可飽和吸收體的脈沖激光器,該激光器在光通訊波段能實現(xiàn)脈寬~402 fs,重復頻率為~5.70 MHz的飛秒激光輸出。第二部分主要關注的是Bi_2O_2Se的超寬帶可飽和吸收特性和載流子動態(tài)研究。中紅外脈沖激光正逐漸成為工業(yè)和科學研究不可或缺的光源。目前,制約中紅外脈沖激光發(fā)展的瓶頸之一是缺少合適的可用于中紅外的可飽和吸收體。本論文中,由弱的靜電相互作用形成的層狀半導體材料在0.8-5.0μm范圍存在可飽和吸收行為,并且中紅外范圍光響應時間達到皮秒量級,調制能力達到330.1%�；贐i_2O_2Se可飽和吸收體,我們搭建了3μm的中紅外脈沖激光器,并測試調Q激光輸出性能。
【學位單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

圖 1-1 不同方式的光調制[1]。Figure 1-1 Optical modulation classification. 過渡金屬硫族化合物自石墨烯成功制備以來，因其具有電阻小、電子遷移率高、電子傳輸快、結構點，石墨材料的研究受到科學界的廣泛關注，并迅速成為各個領域的研究熱點零帶隙的半金屬材料，石墨烯對紫外-可見-近紅外-中紅外-太赫茲超寬帶的頻學響應（理論上對所有的光子都有光學響應），基于這種獨特的屬性，對石墨線性的研究最近幾年已經(jīng)成為非線性光學研究的熱點之一[21-23]。但是，石墨烯不足，例如沒有帶隙（缺少可控性），光吸收小，易受環(huán)境干擾，這些因素嚴其在非線性領域的實際應用[24, 25]。因此，在研究石墨烯光學非線性的同時，學探索超快-超寬帶光學非線性響應能否拓展到具有非零帶隙結構的二維材料（

圖 1-2 過渡金屬硫族化合物種類[31]。Figure 1-2 TMDCs compounds.圖 1-3 過渡金屬硫族化合物能帶變化圖[32]。Figure 1-3 The variation of band gap for different MX2compounds.

3圖 1-3 過渡金屬硫族化合物能帶變化圖[32]。Figure 1-3 The variation of band gap for different MX2compounds.1.2.1 過渡金屬硫族化合物的能帶結構過渡金屬硫族化合物（TMDCs）種類很多，在化學周期表中的位置如圖 1-2 所示，大致可以分為絕緣體（例如 HfS2等）、半導體（例如 MoS2、WS2等）、半金屬（例如WTe2等）和金屬（例如 NbS2、VSe2等），通常可以簡寫為 MX2，其中 M 代表過渡金屬元素，X 代表硫族元素。這些材料的能帶變化的差異性較大，圖 1-3 給出了幾種過渡金屬硫族化合物的能帶值以及它們通常情況下的穩(wěn)定狀態(tài)。作為研究最廣泛的一種類石墨烯材料，單層 MoS2是由 S-Mo-S 三個原子層通過共價結合在一起的直接帶隙半導體（如圖 1-4），其禁帶寬度為 1.87 eV[33]，結構為六方晶體層狀結構（圖 1-4），但是隨著層數(shù)

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 王德飛;齊文宗;郭春鳳;;超快脈沖激光輻照金屬薄膜熱-力效應的模擬研究[J];光子學報;2008年11期

2 趙剛;郝秋龍;齊文宗;陳建國;;超短脈沖激光輻照下金屬薄膜的熱行為[J];光子學報;2007年01期

本文編號：2817468