文稿分析曹浩然组会

1、新型二维材料汇报人：曹浩然内容概要二维材料概述新型二维材料及其应用二维材料概述二维材料是指一维方向上处于纳米尺度的材料，尺寸效应和大的表面效应使材料具有某些特殊的性质，并在物理、化学及材料科学方面有着广泛的潜在应用，因此，对二维材料的科学研究具有非常重要的意义。二维材料的提出是伴随着2004年曼切斯特大学安德烈K海姆小组成功分离出单原子层的石墨材料石墨烯（graphene）提出来的。二维材料具有单原子层厚度，和它们的体相相比，由于其具有独特的性质而引起了人们极大的兴趣，目前比较热门的二维材料包括：石墨烯、过渡金属二硫化物、黑磷、拓扑绝缘体等。二维材料概述原子结构石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密

2、排列而形成的蜂窝状二维晶体，是构成石墨、碳纳米管、富勒烯等多种碳材料的基本组成单元。石墨烯结构能带结构石墨烯是一种典型的半金属材料，其导带和价带呈圆锥形，且交于一点，纯净的石墨烯为零能带结构，通过掺杂可以改变石墨烯的能带结构。石墨烯结构线性光学性质单层石墨烯可以吸收大约2.3%的垂直入射光，且吸收光的波长覆盖了可见和红外光。石墨烯性质非线性光学性质当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和，这一非线性光学行为称为饱和吸收。石墨烯性质饱和吸收能量密度为60.7J/cm2,调制深度为2.5%其他性质优异的力学性质：最薄最坚硬的纳米材料、大的比表面积2630m2/g；电学性质：超高的

3、载流子迁移率2*105cm2V-1s-1，比硅快100倍，比砷化镓快20倍；良好的柔韧性、稳定性和生物兼容性。石墨烯性质基于石墨烯的光调制器光学调制是改变光的一个或多个特征参数，并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。基于石墨烯的光调制器具有鲜明的优势：1、光与石墨烯强烈的相互作用；2、宽带宽操作；3、高速运行；4、石墨烯独特的光电性能。石墨烯应用直波导结构石墨烯光调制器Liu M等将石墨烯材料铺覆在硅波导表面，通过电调谐石墨烯材料的费米能级，改变材料的光吸收特性，实现光学信号“0”和“1”之间的开关调制。它的调制深度与调制带宽分别能达到0.16dB/m和1GHz。石墨烯应用Liu M.

4、 Double-Layer graphene opticalmodulator J . Nano Lett石墨烯在激光器上的应用超短脉冲激光器的实现主要有调Q和锁模两种方法，且都有主动和被动两种方式，相对而言，被动锁模和被动调Q方法，由于不需要外加电场或光场调制，只需要在激光腔内插入SA即可实现，更加方便高效、易于实现。石墨烯具有超宽的光谱工作范围，飞秒级超快电子弛豫时间、高的热损伤阈值等特点，成为备受关注的新型可饱和吸收体材料。石墨烯应用基于石墨烯的锁模光纤激光器应用三明治结构：通过将石墨烯转移到FC/PC光纤接头端面上，通过连接器将其与另一个FC/PC光纤接头串联，从而整合到激光腔中。石墨

5、烯应用Sun Z A stable , wideband tunable ,near transform-limited , graphene-mode-locked , ultrafast laserJ. Nano Research基于石墨烯的调Q光纤激光器应用将用于光纤调Q激光器中的石墨烯整合到光纤激光腔中的方式主要是三明治结构，通常是将石墨烯插在两个FC/PC光纤接头之间，利用锥形光纤耦合石墨烯以获得大功率脉冲输出。石墨烯应用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石墨烯在固体激光器上的应用目前，石墨烯已被应用于Ti:Sapphire、Nd:YAG、Cr:YAG、Cr:ZnS等固体激光器中，其输出脉冲的波长覆盖了800nm、1m、1.25 m、1.4 m、1.5 m、2 m等波段，最大输出功率达到瓦级，输出脉宽小于100fs，这些参数显示了石墨烯应用于固体激光器领域所取得的巨大成功。石墨烯应用石墨烯应用传感器石墨烯表面等离子体可以视为表面电子的集体振荡，通过与其它能量的耦合获得一定的能量和动量从而在材料表面进行传播。与传统的金属材料相比，石墨

7、烯的表面等离子体具有低损耗、高局域性和宽波段激发等优点，并且可以利用栅极电压或化学掺杂的方法调节在石墨烯表面传播的等离子体。石墨烯表面等离子体基于石墨烯等离子体的太赫兹激光器石墨烯能够吸收太赫兹光波并激发出等离子体而实现带间粒子数反转，此外，等离子体增益很大，这为制作太赫兹激光器提供理论依据。石墨烯表面等离子体的应用基于石墨烯等离子体的波导、调制器和偏振器石墨烯等离子体可以和光子耦合形成准粒子并在其表面进行传播，利用表面等离子体激元的传播特性，可实现基于石墨烯等离子的波导、调制器和偏振器。二维过渡金属硫化物（TMDCs）TMDCs的基本化学式为MX2，其中M为第V副族元素或第VI副族元素，X为

8、硫族元素。类似于石墨烯，二维过渡金属硫化物也是一种层状材料，层与层之间通过范德瓦尔斯力相互作用，可以通过剥离的方法得到单层。二维过渡金属硫化物（TMDCs）结构以MoS2为例:单层MoS2由三层原子层构成，中间一层为Mo原子层，上下两层均为硫原子层，Mo原子层被两层硫原子层所夹形成类“三明治”结构，多层MoS2由若干单层二硫化钼组成，一般不超过五层，层间存在弱的范德华力，层间距约为0.65nm。二维过渡金属硫化物（TMDCs）性质光学性质当TMDCs由块状材料变为二维结构时，电子能带结构由间接带隙变为直接带隙，其光学性质也随之发生变化，主要表现为光致/电致发光、吸收光谱、振动光谱、光伏效应等的

9、变化且对于半导体材料来说能带间隙直接影响其对光的吸收和发散，并且直接能带间隙对光的利用更彻底。二维过渡金属硫化物（TMDCs）性质传感性能在传感器方面，二维TMDCs的优势主要体现在：1、二维几何结构的高比表面积可提高浓度检测极限；2、高的电子迁移率可提高器件的响应速率；3、高的强度及韧性使之可用于制备柔性传感器器件；4、高的表面化学活性可以提高化学分子的检测灵敏度和识别度。二维过渡金属硫化物（TMDCs）性质与石墨烯异质及复合结构石墨烯和二维TMDCs同为二维材料，分别有独特的物理化学性质，因此，在合成过程中将这两类不同的二维材料组合在一起形成异质结或复合材料，将获得很多新特性。二维TMDC

10、s/石墨烯异质结之间为二维界面，这为相关物理性质的研究提供了独特的材料体系，对于其的研究才刚刚起步，还有许多新奇特性值得探索。二维过渡金属硫化物（TMDCs）应用二硫化钼（MoS2）块状二硫化钼是间接带隙半导体，在光谱上没有特征吸收峰；而类石墨烯二硫化钼是直接带隙半导体，其特征吸收峰在紫外吸收光谱上位于620nm和670nm处。当块状二硫化钼被剥离至薄层时，会出现荧光且荧光强度与二硫化钼的层数成反比，而块状二硫化钼则没有荧光特征峰。二维过渡金属硫化物（TMDCs）应用晶体管目前报道的基于单层MoS2的光电晶体管，其光响应度达到了880A/W，可与基于硅的光电晶体管相比拟，而以MoS2/石墨烯复

11、合材料组装的光电器件，室温条件下其光响应度甚至超过了108A/W，有望获得更佳的实际应用。传感器目前， MoS2用于的NO传感器和NO2传感器都具有很高的气体灵敏度，而基于单层和多层MoS2的光晶体管具有良好的光敏感性，能用作光传感器 。激光器饱和吸收体Juan Du等设计了基于MoS2的饱和吸收体器件，主要是将MoS2涂敷在锥形光纤的端面上，而后将该SA接入光纤激光器腔内研究其锁模能力，以975nm激光作为泵涌光， 泵涌功率为210mW输出信号的中心波长、二维过渡金属硫化物（TMDCs）应用平均输出功率和脉宽分别为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二维过渡金属硫化物（TMDCs）应用二硫化钨（WS2）与二硫化钼类似，均为层状材料，且单层为直接带隙半导体，理论计算给出单层WS2能隙为1.55eV。目前对基于二硫化钨的光探测器进行研究，其光响应度相较于二硫化钼有三个数量级的提升，是目前为止报道中基于TMDCs中性能最好的；对

13、二硫化钨在光致发光器件的应用研究发现，在同样情况下，单层二硫化钨的发光强度是单层二硫化钼的53倍；表明了二硫化钨在光电器件领域潜在的应用前景！激光器饱和吸收体Peiguang Yan等设计了基于WS2饱和吸收体的掺铒光纤激光器，该饱和吸收体具有低插入损耗和高能量阈值等优点，通过实验，在54mW的泵涌光功率下，得到了脉冲宽度为675fs、SNR为65dB的光孤子脉冲，在395mW的泵涌光功率下，得到了452fs和48dB的脉冲。二维过渡金属硫化物（TMDCs）应用Peiguang Yan Microfiber-based WS2-film saturable absorber for ultra

14、-fast photonics OPTICAL MATERIALS EXPRESS二维黑磷材料结构块状黑磷与石墨类似，为层状结构，单个晶胞中含有八个原子，键长为2.18，平均键角为102度，计算密度为2.62gcm-3。随着压力的变化，黑磷结构会发生改变，主要有两次可逆的结构改变，分别在5.5GPa和10GPa。二维黑磷材料性质电学性质黑磷能带间隙会随着材料层数的减少而增大，由0.3eV变为2eV，但与MoS2不同的是，层状BP仍为直接带隙半导体，可以通过掺杂将其改性为p型或n型半导体。基于较少层黑磷的场效应器件，测量出在室温下其电子迁移率超过300cm2/V-1S-1，漏极电流调制约为103

15、，在低温条件下，其开关比超过105，而且该器件表现出电子和空位传导的性能。二维黑磷材料性质光学性质经过研究发现，多层黑磷的吸收光谱受其样品厚度、掺杂状态以及入射光的偏振态的影响比较明显，特别是在中红外和近红外波段，随入射光频率的改变，吸收光谱变化明显。二维BP具有非线性光学效应，通过宽带Z扫描测量技术研究发现，多层BP可以作为新型的二维饱和吸收体，具有宽频工作带宽，在可见光到中红外波段内表现出明显的饱和吸收性质，有望应用于被动锁模、调Q激光器、光开关等器件。二维黑磷材料应用基于二维BP的光纤激光器Yu Chen等人通过将基于BP的饱和吸收体器件接入全光纤掺铒光纤激光谐振腔中来研究BP作为SA的

16、性能，通过实验发现，可以分别获得最大脉冲能量为94.3nJ的被动调Q激光器和脉冲宽度低至946fs的被动锁模激光器，这表明BP可以作为一种有效的光纤或固体激光器的饱和吸收体。二维拓扑绝缘体拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态，具有独特的能带结构，这类材料体内的能带结构是典型的绝缘体类型，然而在该类材料的表面则总是存在自由电子态，因而导致其表面总是金属性的。相比于石墨烯，拓扑绝缘体具有低的饱和吸收强度、高的三阶非线性系数、宽波段近红外吸收的特点，逐渐在可饱和吸收体材料脱颖而出，称为新型的可饱和吸收体。二维拓扑绝缘体应用刘京徽等使用拓扑绝缘体Bi2Se3作为可饱和吸收体，对半导体激光（LD）端面抽运Yb：KGW固体激光器进行被动调Q实验，获得了窄宽带为1.5s，中心波长1042