一维二维半导体纳米结构的二次谐波和双光子吸收特性研究

一种集成式自供电纳米化学传感器的设计和制作项目成员：何旺球（1426410514）王鹏云1426410408 陶俊贤1326410232 黄家仪1326410116指导教师：祝元坤摘要：本项目以石墨烯作为基本功能单元，设计并制备一种新型的集成式化学分子驱动自供电传感器件；超薄二维纳米材料（石墨烯）作为基本功能单元制备新一代的自供电传感器件，使器件能感受到环境中化学分子状态的改变而输出电信号。

石墨烯部分被聚合物薄膜所覆盖且另一部分暴露，当器件接触极性分子时，可以产生明显的电信号。

因此，本项目的研究具有一定应用前景和重要学术价值。

该类自供电传感器件可能应用于生产微型纳米传感器，具有自主创新知识产权。

1引言近年来，随着纳米材料及纳米科学技术研究的不断深入，各种微纳电子器件不断被研究开发，并在军事、生物医学、环境监测等领域展现出十分诱人的应用前景[1]。

微纳电子器件不仅尺寸小，而且具有功耗低、速度快、易于大规模集成、可移动等特点，但微纳电子器件需要有微尺度电源系统来供给电能，来维持正常工作。

随着电子产品小型化，亟待开发即能为之提供能量并且小、轻、具有柔性的自供电传感器件。

如果微电源器件能够持续收集环境中的能量并转换为电能，将会永久性解决电池耗尽的问题。

因此，开发具有能量转换功能的微电源，并与传感器等器件集成构建自供电系统，是非常迫切的。

可穿戴、物联网、智慧城市等新兴产业的发展将推动微纳电子器件市场的迅速发展，牵引微电源产品的技术变革和不断创新。

微纳自供电器件是当今的研究热点，目前的研究集中在以下几点：1）不断提高能量转换效率。

如何在减小尺寸的同时保持高的能量转换效率，需要新材料和新工艺。

2）具有柔韧性。

未来可穿戴、可移植等器件的发展需要柔性的器件与之配套。

3）易于集成。

为满足自供电、自供能驱动等系统的需求，微电源器件应易于和传感器等进行集成。

4）可从环境中持续捕获能量。

微电源器件不仅要有能量存储功能，还要能持续将环境中的能量转换为电能。

西北大学学报（自然科学版）2020年6月，第50卷第3期,Jun.,2020,Vol.50,No.3Journal of Northwest University（Natural Science Edition）-新型半导体材料的光电特性及应用•基于二维层状半导体材料的光电极特性及其研究进展徐新龙@,马菁瑶打卢春辉@，杨丹1，罗铭威1,赵奇一2（1.西北大学光子学与光子技术研究所/陕西省石墨烯联合实验室，陕西西安710069；2.西安邮电大学理学院，陕西西安710121）摘要:自石墨烯被发现以来，具有带隙的二维层状半导体材料得到了广泛关注，它们可以覆盖太阳光谱中从红外到紫外的各个波段范围，为充分利用太阳能奠定了基础。

光电极作为光电化学池的重要组成部分，能够直接将太阳能转化成化学能，可以实现光催化制氢，是目前光电研究的前沿方向。

二维层状材料由于具有比表面积大、容易担载、缺陷的化学活性强等优点，成为目前光电极研究的首选材料,在高效利用太阳能方面具有潜在的应用价值。

从光电极的基本光物理和光化学过程出发，文中介绍了基于二维材料光电极的制备、光电特性及其最新研究进展,并对其未来的发展趋势进行了思考和展望。

关键词：二维材料;光电化学池；光阳极;光阴极;光物理过程；光化学过程中图分类号：0646DOI：10.16152/kt.xdxbzr.2020-03-006开放科学（资源服务）标识码（OSID）:Characteristics of photoelectrode based on two-d imensionallayered semiconductor material and its researct progrestXU Xinlong1,MA Jingyao1,LU Chunhui1,YANG Dan1,LUO Mingwet1,ZHAO Qiyi2（1.Shaanxi Joini Lab of Graphene,Institute of Photonict&Photon-Technology,Northwest University,Xi'an710069,China；2.Colleee of Science,Xi'an University of Posts&Telecommunications,Xi'an710121,China）Abstract:Since the discoeiy of graphene,two-dimensional layered semiconductor materials with the band­gaps have received wide attention,they cn ccver all bands of We solar spectrumfrom infrared to ultraviolet, ^fording the foundation for making full use of the solar eneraa-As an important part of the photoelecWochemi-ccl cdl,the photoelectrode ccn diactly ccnvert solar eneraa mto chemiccl eneraa and ccn realize photocatalyt-ic hydagn production,which is the frontier of the photoelectwc resecrch.Due to the adventages of larae spe-ciOc surfacc n,esy loading,and strong chemical activity of defects,two-dimensional layered materiaas be­come the mosS ioporint materiaas for photoelectrodes,which have potentiaa applications in nicieni utilization of solae eneray.Based on basic photophysical and processes of tOe photoelectrodes,the prepara­tion,photoelectWc characteristict,and the resecrch proaress of photoelectrodes based on two-dimensional ma­terial are introduced.The future development trend of photoelectrodes based on two-dimensmnal materials is considered and prospected.Key wordt:two-dimensmnal material;photoelectrochemical cell;photoanode;photocathode;photophysictl收稿日期：2020T2T2基金项目：国家自然科学基金资助项目（117742CC）；陕西省自然科学基金资助项目（2019TC25）作者简介:徐新龙，男,江苏南通人,西北大学教授，博士生导师，从事二维材料及超材料光电特性研究％第3期徐新龙等:基于二维层状半导体材料的光电极特性及其研究进展・361・process;photochemical process二维层状材料，面内以共价键结合，而面间则以范德瓦尔斯力作用相结合，是一个见证奇迹的材料％1986年高温超导体的发现［1］，其导电层为二维铜氧面,打破了陶瓷不导电的束缚。

二维非线性光学材料项目简介光学信息处理是解决当前大数据处理系统在带宽、能耗、速度等瓶颈问题上的主要技术手段。

纳米尺度非线性光学材料是全光集成系统中高性能单元器件（光开关、光调制器、探测器等）的核心。

具有优异非线性光学特性，特别是非线性吸收和折射率的二维纳米半导体材料在物性、集成度、兼容性上独具优势，是构筑未来高性能全光信息系统的关键之一。

作为国际上最早开展二维材料非线性光学工作的研究者之一，在中组部、国家基金委、中科院、上海市科委等项目的资助下，我们团队在国际上率先揭示了石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷等重要二维材料的超快非线性光学特性，验证了高性能二维半导体在强激光防护光限幅器和超短脉冲激光锁模器上的重要应用，取得如下主要成果：成果一：二维半导体非线性光学效应及物理在国际上首先揭示了过渡金属硫化物、石墨烯、黑磷等重要二维半导体的非线性光学特性；证实了钼硫族二维材料的宽带非线性吸收和折射率，以及禁带调控色散效应；实现了二维半导体的非线性特性调控工程；从单层MoS2中观测到暗态激子共振巨双光子吸收效应；观测到二维半导体中的自相位调制效应、非线性折射率色散、二维材料光学特征矩阵、光致透明效应、快/慢饱和吸收效应、全光开关调控和光限幅特性、双光子吸收饱和效应等；这些原创成果为理解二维半导体非线性光学物理机理，开发高性能非线性光学器件及全光计算等集成系统应用奠定了良好的实验和理论基础。

成果二：二维半导体非线性光学材料及应用基于石墨烯、MoS2及其改性衍生材料等优异的非线性特性，实现了超短激光脉冲锁模器和强激光防护光限幅器等重要应用；合成出酞菁修饰的石墨烯宽带强激光防护光限幅材料；合成出MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等过渡金属硫化物宽波段强激光防护光限幅材料；在批量制备大尺寸、高性能二维半导体非线性光学材料和二维半导体强激光防护光限幅复合材料等方面进行了大量原创性基础研究工作。

特别是以非线性激光防护物理研究，结合高性能激光防护材料研制为基础，正在为中电53所、中航工业613所等单位的激光应用系统研制强激光防护装置，用于对某型号机载光电系统和激光雷达探测器进行防护，在宽波段、多时间尺度上对抗外部强激光的干扰和致盲，具有防护阈值低、消光比高、稳定性强等特点。

单个半导体纳米结构的二次谐波特性调控及其应用随着超短超快激光技术的发展,非线性光学成为光学领域一个重要的分支,其中二次谐波(Second-harmonic generation,SHG)是最基本的二阶非线性光学效应。

基于SHG的产生机制,SHG具有信号稳定、宽波段调谐、相干性、高速响应和偏振敏感等特点。

SHG 一般在非中心对称材料中存在,由材料内部晶格极化产生(称体SHG),对晶格结构非常敏感。

通常利用SHG的偏振敏感特性,即测量SHG强度随入射光的偏振态的变化规律,可以获得晶体的c轴取向。

近年来,通过对该方法的进一步拓展研究发现,利用SHG的偏振敏感特性可以完全获得晶体的三个轴的取向,区分不同晶相的晶体结构或更复杂的晶体结构,如孪晶等。

因此,利用SHG的偏振敏感特性探查晶格结构信息是值得深入研究和发展的一种新的光学表征技术手段。

此外,SHG作为相干光源,在微纳尺度下,发光效率较低也是目前亟待解决的问题。

本论文主要利用SHG的偏振敏感特性探测了半导体纳米线内产生的晶格畸变,研究了金属腔和单层二维材料的复合结构的SHG特性,以及通过搭建的飞秒泵浦探测系统测试了单个半导体纳米颗粒的自相关信号。

全文的主要内容如下:(1)提出了通过SHG显微术的方法,实现全光的灵敏的探测单根半导体纳米线的晶格畸变。

通过研究不同弯曲曲率的ZnO纳米线中SHG辐射强度随泵浦光偏振方向的响应曲线,发现随着纳米线弯曲曲率的增加,沿垂直和平行于ZnO纳米线c轴的偏振方向所激发的SHG辐射强度之比迅速下降。

由此,实验中得到一个高灵敏度(10-3 nm)的探测弯曲晶格畸变的方法。

此外,实验中还发现当ZnO纳米线沿c轴方向有扭曲时,SHG辐射强度随泵浦光偏振方向的响应曲线呈现出非轴向对称的异常花型。

由此,SHG显微术还可以用来探测扭曲的晶格畸变。

(2)设计并搭建了微区笼式共焦显微系统,其中详细阐述了显微系统的白光照明系统,即科勒照明。

Science &Technology Vision 科技视界,,[1]。

,(Metamaterials)()、,,、,[2,3]。

,,,[4,5]。

,[4],,。

,[6]。

[7]。

(41),、。

,,、,、[8]。

,、,。

１基于表面等离激元型超材料结构中窄带完美吸收体的研究,-———(Surface Plasmons),,。

,,,(Localized Surface Plasmons)。

,,(Sensitivity,S =δλ/δn ,)。

,()[9,10],1。

,:K 0sin θ+i G x +j G y =K SPP(1)超材料窄带完美吸收体的若干实现方案及特点胡新广黄志永(黄山学院信息工程学院,安徽黄山245041)【摘要】实现对入射电磁波在某个波长或波段近似完全吸收的物体,称为完美吸收体。

窄谱线的完美吸收体在生化传感、热辐射测量、滤波、光电检测等方面具有重要的应用前景和研究价值。

超材料结构的超常电磁特性使人们对入射电磁波实行任意操控成为可能,是目前科学研究的前沿和热点之一。

利用超材料结构实现的完美吸收体具有尺寸小且设计灵活的优势,是目前窄带完美吸收体的主要实现方案。

文章选取了利用超材料结构实现窄带完美吸收体的三种常见方案,从实现原理、典型结构及性能特点等方面进行了阐述,指出了表面等离激元型窄带完美吸收体具有较高的传感灵敏度;介质结构共振型窄带完美吸收体在谱线宽度和器件小型化方面更具优势;而基于石墨烯的窄带完美吸收体则拥有更加丰富的光电性能。

【关键词】超材料;窄带完美吸收体;表面等离激元;共振模式;石墨烯中图分类号:TB33文献标识码:ADOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2021.21.66※基金项目:黄山学院校级人才基金启动项目(2019xkjq005)。

作者简介:胡新广,男,博士,研究方向:微纳光子学。

177. All Rights Reserved.Science &Technology Vision科技视界K SPP =K 0R eεm εd εm +εd √(2)K 0K SPP ,i j x ,y ;G x G y x ,y ;εm 、εd 。

一维Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料的设计、合成与性能研究Design, synthesis and function of one-dimensional II-VI semiconductor nanomaterials● 主要要研究内容★提出了溶剂热条件下一维纳米晶的合成方法，运用配位分子模板机制，合成出系列半导体纳米棒、纳米管；★发展了室温合成过渡金属与主族硫属化合物纳米晶的新途径,利用稀土氧化物有机溶剂液相离子交换直接合成法制备出稀土硫氧化物纳米材料；★发展了液相自组装方法，成功地合成出一系列半导体纳米管，单晶纳米线。

● 研究成果的科学意义和应用前景II-VI族半导体纳米材料因其具有优异的物理特性和潜在的应用前景，受到了材料科学家的高度重视，特别是其一维量子线的研究，不仅有助于人们在原子或分子水平上认识晶体的成核与生长，同时对进一步探索纳米材料的维度控制规律和量子尺寸效应与相关的新性质间的关系，为未来实现在分子水平设计、制造半导体纳米量子器件与分子导线奠定理论与实验基础。

●代表性论文★Yadong Li*, H.Liao and Y.Qian et al. “Non-aqueous Synthesis of CdS Nanorod Smiconductor. ” ,Chem. Mater. 10(9),2301 (1998)★Yadong Li*, Y.Ding, Y.Zhang et al., “A Solvothermal Elemental Reaction to ZnSe Nanocrystalline”,Inorg. Chem. 1998,37(12), 2844★Yadong Li*, H.Liao and Y.Ding et al. “ Novel Solvother mal Synthesis of CdE(E=S,Se,Te) Semiconductor Nanorod. ”,Inorg. Chem. 1999, 38(7), 1382★Yadomg Li*, Z. Wang, Y. Ding, “Room Temperature synthesis of Metal Chaleogenides in Ethylenediamine”,Inorg. Chem. , 1999, 38(21), 4737★Yadong Li*, Y. Huang, T. Bai, et al., “A Straightforward Conversion Route to Nanocrystalline Rare Earth Mono-thio Oxides in Sulfur Ethylenediamine Solution”, Inorg. Chem. 2000,39,3418★Yadong Li*, Yi Ding, and Zhaoyu Wang “A Novel Chemical Route To ZnTe Semiconductor Nanorods”, Adv. Mater.,1999, 11(10), 847★Li Yadong*,Sui Mong, Ding Yi, et al. “Preparation of Mg(OH)2 nanorods” Adv. Mater. 2000,12(11),818无机/有机纳米微粒的制备复合与组装The Preparation, Composite And Assembly Of Inorgano/Organo-Nanoparticles由于纳米微粒的特殊层次和状态，人们若想将其特殊性能以材料形式付诸于应用，则必须实现它以某种形式与体相材料的复合与组装。

一维与二维材料的光电性能研究随着纳米科技的快速发展，一维与二维材料的研究成为了科技领域的热门话题。

这些纳米材料在光电子器件、能源转换、传感器等领域展示出了巨大的应用潜力。

本文将探讨一维与二维材料的光电性能研究及其在科学研究和工程应用中的意义。

一维材料，如碳纳米管、纳米线等，具有独特的结构和性能。

由于其尺寸在纳米量级，一维材料的电子运动受限，呈现出了一维的能带结构。

这种特殊的结构使得一维材料具有优异的光电性能。

以碳纳米管为例，由于其独特的能带结构，碳纳米管展现出了优异的导电性、热导性和光学性质。

这种特性使得碳纳米管在电子器件、太阳能电池等领域有着广泛的应用前景。

与一维材料相比，二维材料，如石墨烯和二硫化钼等，具有更加独特的结构和性能。

石墨烯作为一种新型二维材料，其独特的碳平面结构赋予了它优异的导电性和热导性。

石墨烯通过展示出的独特电子能带结构，具有高度可调控性和可挤压性，被认为是未来晶体管和其他光电子器件的理想材料。

二硫化钼则具有优异的光吸收和光辐射特性，被广泛应用于传感和光电转换器件。

近年来，研究人员对一维和二维材料进行了大量的光电性能研究。

通过研究材料的带隙、导电性和光学性质等特性，科学家们进一步深入理解了这些材料的行为和性能。

例如，通过调控外界光照条件，研究人员可以测量材料在不同波长下的吸收率和反射率，从而确定其在不同光谱范围内的应用潜力。

此外，光电性能研究还帮助科学家们设计和开发更高效、更稳定的光电子器件。

通过研究材料的能带结构和光吸收特性，研究人员能够设计出更高效的太阳能电池和光电转换器件。

例如，研究人员可以通过合理选择和优化二维材料的结构和组成，来提高其太阳能吸收能力，并进一步提高太阳能电池的转换效率。

此外，一维和二维材料的光电性能研究还引发了新的科学发现和理论突破。

研究人员发现，在一维材料中，由于有限的空间自由度，自旋和电荷可以紧密耦合。

这种现象打开了一维自旋电子学和拓扑态的新领域，为设计新型量子器件提供了基础。