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物理学系及其合作团队发现准一维红磷半导体中的巨型各向异性光子学性质

2021-09-24

近日,中国人民大学物理学系季威教授研究组,阿尔托大学杜罗军博士、孙志培教授研究组和中国科学院物理研究所张广宇研究员研究组合作,发现了红磷(一种准一维纤维状材料)中的巨大的线性/非线性光学各向异性和高发射率,相关研究成果以“Giant anisotropic photonics in the 1D van der Waals semiconductor fibrous red phosphorus(一维范德瓦尔斯半导体纤维红磷中的巨型各向异性光子学)”为题于2021年8月10日发表在《自然·通讯》(NatureCommunications)上。

由于量子限域效应和其降低的对称性,受限电子体系为实现各种奇异的电学、光学和磁性特性提供了重要平台,并在持续变革基础科学研究、技术创新和日常生活的范式。二维范德瓦尔斯晶体便是一个显著的例子,其电子被限制在二维原子片层中。自2004年单层石墨烯被制备以来,大量有趣的物理现象在二维范德瓦尔斯材料中被发现,例如强面内各向异性、非线性光学、量子反常霍尔效应、手性准粒子、激子玻色-爱因斯坦凝聚、非常规超导等。这些研究开启了凝聚态物理、材料科学和器件应用的的二维时代。

最近,针对一维范德瓦尔斯材料(另一类受限电子系统)的研究悄然兴起。在这类材料中,电子被进一步限制在通过非共价相互作用相结合的一维单元 (如纳米管、链和条带)中,因而它们也被预言存在各异的新奇物理现象和特性。其链内方向(共价键)和链间方向(非共价相互作用)明显不同的成键特征通常会导致其物性具有强的各向异性,例如,最近在准一维Sb2Se3晶体中发现的空前显著的各向异性输运性质(Adv. Mater. 2017,DOI: 10.1002/adma.201700441)等。尽管人们已经二维材料开展了广泛的研究,可迄今为止仅发现了少数几种准一维材料(如Te单质, Sb2Se3和同轴MoS2-BN-碳纳米管等),仅对他们进行了初步的表征,且对它们的物性研究也主要集中在电输运特性上。因此,探索新的准一维材料并更广泛地研究其物性,对电子学、光子学和光电子学的基础研究和技术应用都具有重要意义。

磷单质存在多种同素异形体。此前,物理学系团队从理论计算上预测少层黑磷是一种具有高迁移率、强面内各向异性以及线性二色性的直接带隙半导体(Nat. Commun. 2014,DOI: 10.1038/ncomms5475),并与同期的几个实验研究相互印证,随后掀起了平面各向异性二维材料的研究热潮。最近的研究工作发现了另一种磷的同素异形体,即准一维纤维状红磷,其具有相对较高的载流子迁移率和较大的析氢效率等优异的物理和化学性质。在本研究中,物理学系及其合作团队发现了这种材料中巨大的线性/非线性光学各向异性和高发射率,为未来光子学和光电子学中的技术创新提供了理论基础。

具体地,他们利用第一性原理计算发现准一维纤维状红磷在可见光谱范围内具有准平带和可观的带隙。实验上通过光致发光(PL)光谱学等测量方法,发现准一维纤维状红磷的光学反应强烈依赖于晶体的方向以及发射强度,其PL和三阶非线性光学响应中各向异性的程度可以分别达到90%和86%,与迄今为止取得的最佳性能相当。同时,他们还发现准一维纤维状红磷中巨大的发射强度,其PL和三次谐波(THG)强度分别达到了单层二硫化钼(MoS2,一种原型光致发光二维材料)的40和100倍。这一研究揭示了准一维纤维状红磷在发展具有先进功能的光学和光电器件(如,相位匹配的通信、偏振器和传感器, 极化敏感的光电探测器等)方面的潜力。


图1.1DvdWFRP的晶体结构


图2.1DvdWFRP的超强PL发射及电子结构特征


图3.1DvdWFRP高度各向异性的PL发射与三阶非线性光学响应


该研究成果于8月10日以“Giant anisotropic photonics in the 1D van der Waals semiconductor fibrous red phosphorus”为题发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上。 物理学系博士生伍琳璐、阿尔托大学博士后杜罗军博士及博士生胡雪绒,中国科学院物理研究所赵严翀博士为论文的共同第一作者。物理学系季威教授、阿尔托大学杜罗军博士和孙志培教授为论文的共同通讯作者。该工作的理论计算部分由人民大学完成,实验部分由合作单位完成。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部、中国科学院和中国人民大学的资助。


论文信息:

Du, L., Zhao, Y., Wu, L. et al. Giant anisotropic photonics in the 1D van der Waals semiconductor fibrous red phosphorus. Nat Commun 12, 4822 (2021).

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25104-6

DOI: 10.1038/s41467-021-25104-6

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