近日，湘潭大学郝国林教授课题组开发了一种基于空间浓度分布调控的气相沉积策略，成功实现了钠钙玻璃衬底上硒微米线（Se MWs）以及Se/MoS2垂直异质结的可控制备。流体动力学仿真结果验证了生长过程中前躯体浓度对于Se MWs生长的有效调控。基于密度泛函理论的第一性原理计算以及表面电势测量结果证明了异质结界面之间的有效电荷转移对于Se/MoS2垂直异质结非线性光学吸收性能的重要影响。
近年来，元素半导体材料凭借其独特的性质，在电子学、催化和生物医学工程等领域展现出巨大应用价值，引起了广泛的关注和研究。在这些材料中，硒(Se)因其卓越的电学、光学和化学特性，成为备受瞩目的研究对象。利用开孔(OA)Z扫描技术对Se微纳结构进行非线性光学特性研究，发现其在光限幅器件应用，特别是在短脉冲激发区具有巨大潜力。然而，由于其有限的光吸收带宽和较低的本征非线性光学系数，Se微纳结构在非线性调制深度及吸收特性等方面仍有待提升。二硫化钼(MoS₂)因其优异的性能而备受关注，在光电子学、谷电子学及非线性光学等多个领域展现出巨大应用潜力。MoS₂在可见光到近红外波段的宽带非线性光学吸收响应，使其成为超快脉冲激光锁模器件的理想材料。因此，构建Se与MoS₂异质结构对于研究非线性光学具有重要科学意义。
研究团队基于物理气相沉积法，通过改变衬底放置方式在钠钙玻璃表面成功实现Se MWs以及Se/MoS2垂直异质结的可控生长。通过调整衬底的放置方式，并结合计算流体动力学模拟，研究了衬底表面浓度对Se MWs生长的影响（如图1）。结果表明衬底表面前躯体浓度对于Se MWs的生长具有重要的调控作用。
图1 (a-b) 水平衬底与竖直衬底表面生长样品的典型SEM图像。(c-d) 水平衬底与竖直衬底表面Se源浓度分布。(e) 水平衬底与竖直衬底模型。(f) 从(a)、(b)图中提取出的水平衬底与竖直衬底表面Se浓度值。
为了探究Se/MoS2垂直异质结的非线性光学性能，研究团队对其进行了开孔Z扫描测量，测试装置示意图以及测试结果如图2所示。
图2 (a) OA Z扫描测量装置示意图。(b) t-Se/MoS2异质结构、t-Se MW和MoS2的开孔Z扫描测量结果。(c) 不同激光输入功率下t-Se/MoS2异质结构的OA Z扫描测量。
从测量结果可以看出：Se MWs以及MoS2纳米片表现出反饱和吸收特性，然而Se/MoS2垂直异质结表现出饱和吸收特性，为探究原因，研究团队利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了异质结差分电荷密度分布，阐明了Se/MoS2垂直异质结界面间的电荷转移机制。电子由Se层有效迁移至MoS2层中，载流子复合减少，延长了载流子寿命，导致从反向饱和吸收转换为饱和吸收的强度阈值降低。因此，Se/MoS2异质结构在受到相同入射光强度的激光激发时更容易表现出可饱和吸收特性。利用开尔文探针力显微镜测试异质结表面电势分布，统计结果表明Se的功函数低于MoS2，Se的费米能级高于MoS2，证实了电子通过界面由Se层转移到MoS2层中，与差分电荷密度分布计算结果一致。图3给出了计算以及测试结果。
该工作提出了一种通过改变衬底放置方式合成Se MWs及Se/MoS2垂直异质结的新策略。利用流体动力学模拟，深入分析了前驱体空间浓度分布对Se MWs生长的影响，并阐明了Se MWs在钠钙玻璃衬底上的生长机理。基于开孔Z扫描测量以及第一性原理计算，确定了Se/MoS2异质结构显著增强的非线性光学吸收性能并揭示了增强机制。这项研究为基于Se/MoS2异质结构的非线性光学器件的发展提供了重要的实验和理论支撑。
论文信息：
Xinrui Ma, Kaiyi Wang, Chen Fan, Xuanbang Li, Yulong Hao, Jie Zhou, Xuemei Lu, Ting Shu, Lili Miao*, Jin Li*, Guolin Hao*, Controllable Synthesis of Se Microwires and Mixed-Dimensional Se/MoS2 Vertical Heterostructures for Nonlinear Optical Applications, Advanced Optical Materials, (2024), 2402434.
DOI: 10.1002/adom.202402434
