與其他低維材料相比，過渡金屬的二維(2D)碳化物，即所謂的“MXenes”，通過氫鍵保持了優異的光學性能和獨特的層堆積形式。這些特性在超快光子領域引起了越來越多的研究興趣。在這項工作中，我們通過超聲輔助液相剝離技術，實驗合成了碳化鈦(Ti3C2Tx)和碳化鉭(Ta4C3Tx)，作為兩種有前景的MXene光子應用材料。通過透射電子顯微鏡和x射線衍射分析對制備的Ti3C2Tx和Ta4C3Tx的形貌進行了系統的表征。利用密度泛函理論獲得了它們的電子帶結構，證明了它們的金屬性質，并驗證了它們在1 μm處的光學吸收。通過將它們作為波導激光腔內的可飽和吸收體，證明了它們對多吉赫茲脈沖激光發射具有誘人的光學調制特性。特別是，基于混合波導激光器結構實現了具有/不具有激光反射鏡的高性能調q鎖模激光器，提供了1 μm的激光脈沖，持續時間短至30 ps。研究結果顯示了金屬MXenes和波導結構在功能光子器件應用中的巨大潛力。
圖2. 多層(a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的SEM圖像。TBAOH插層后的Ti3C2Tx和Ta4C3Tx MXenes的HRTEM和SAED圖像。(e) Ti3C2Tx(頂部)和標準Ti3AlC2光譜(底部)的XRD光譜。(f) Ta4C3Tx(頂部)和標準Ta4AlC3光譜(底部)的XRD圖案。
圖3 制備的(a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx薄膜的AFM圖像和從AFM圖像獲得的少層Ti3C2Tx和(d) Ta4C3Tx MXenes的橫截面高度剖面。
圖4. (a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的晶體結構的頂部和側面視圖。(c) 兩層 Ti3C2Tx和(d) Ta4C3Tx的能帶結構。
圖5 (a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的NIR-MIR光譜。實驗結果和理論擬合(c) Ti3C2Tx和(d) Ta4C3Tx的非線性吸收基于開放孔徑z -掃描測量在1035 nm。
圖6 用于引導特性表征和QML激光產生的典型端面耦合系統的說明。
圖7 基于Ti3C2Tx SA的波導激光器性能研究。
圖8 基于Ta4C3Tx SA的波導激光器性能研究。
相關科研成果由山東大學晶體材料學院Feng Chen等人于2023年發表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04004)上。原文：Nanometer-Thin Stacks of MXenes (Ti3C2Tx and Ta4C3Tx) forApplications as Nonlinear Photonic Devices。
