本發(fā)明涉及一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，屬于層狀二維納米材料微納光電集成領(lǐng)域。

技術(shù)背景

硫族過(guò)渡金屬化合物，如mos2、mose2、ws2和wse2，由于其原子級(jí)超薄層狀結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的光電性質(zhì)及在集成納米系統(tǒng)的潛在應(yīng)用，作為新的二維層狀材料已經(jīng)吸引了廣泛的關(guān)注。不同于石墨烯材料沒(méi)有帶隙，這些原子級(jí)超薄二維層狀材料有直接帶隙并且在室溫激光激發(fā)下可以有熒光發(fā)射，使其在電學(xué)及光電子學(xué)上有著極其重要的應(yīng)用。

不同結(jié)構(gòu)的納米級(jí)半導(dǎo)體在塊狀半導(dǎo)體帶隙領(lǐng)域設(shè)計(jì)上已得到了廣泛的應(yīng)用。在納米電子學(xué)及納米光子學(xué)應(yīng)用上，獲得各種結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)并且擁有優(yōu)秀光電性質(zhì)是非常重要的。零維，一維，二維三元半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展表明可通過(guò)改變分子薄膜堆疊方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種光電性質(zhì)的改變。

在現(xiàn)有層狀ws2的制備方法中，獲得以堆垛結(jié)構(gòu)形式存在的ws2薄片，這種結(jié)構(gòu)的ws2由于對(duì)稱性的間歇性存在，所以在非線性光學(xué)晶體器件應(yīng)用中受到很多局限。到目前為止，以ws2螺旋結(jié)構(gòu)為非線性光學(xué)晶體還未經(jīng)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

研究發(fā)現(xiàn)，就層狀ws2而言，其不同的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同的光電性質(zhì)。對(duì)于堆垛結(jié)構(gòu)而言，其非線性光學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出對(duì)材料層數(shù)奇偶性的強(qiáng)弱變化，這樣嚴(yán)重影響其的實(shí)際應(yīng)用。而螺旋結(jié)構(gòu)這種特殊的生長(zhǎng)機(jī)制決定了每一層之間都有一個(gè)小的角度偏轉(zhuǎn)，使得在常規(guī)堆垛結(jié)構(gòu)中奇數(shù)層沒(méi)有對(duì)稱中心，偶數(shù)層擁有對(duì)稱中心的現(xiàn)象不復(fù)存在，整個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)不論層數(shù)多少都沒(méi)有對(duì)稱中心，都會(huì)有很強(qiáng)非線性光學(xué)性質(zhì)，而且層數(shù)越多，激發(fā)功率越強(qiáng)，非線性信號(hào)越強(qiáng)。

基于上述研究和現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用；尤其是提供一種層狀螺旋ws2二維納米材料用作非線性光學(xué)晶體的技術(shù)。解決了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法通過(guò)一種合適結(jié)構(gòu)獲得極強(qiáng)及可實(shí)際利用的微納領(lǐng)域集成所需要的非線性晶體的難題。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，所述應(yīng)用包括將層狀螺旋ws2二維納米材料用作非線性光學(xué)晶體。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，隨著層狀螺旋ws2二維納米材料中層數(shù)的增加，其用作非線性光學(xué)晶體時(shí)，其非線性光學(xué)性質(zhì)呈疊加的光學(xué)效應(yīng)。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，將層狀螺旋ws2二維納米材料用作非線性光學(xué)晶體時(shí)，其具有高次諧波信號(hào)。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，高次諧波信號(hào)包括二次諧波和/或三次諧波。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，高次諧波信號(hào)具有偏振性。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，將層狀螺旋ws2二維納米材料用作非線性光學(xué)晶體時(shí)，其在納米尺度領(lǐng)域呈現(xiàn)出的非線性效應(yīng)沒(méi)有相位匹配的要求，而且其非線性效應(yīng)的強(qiáng)度高于bbo晶體。比如二次諧波(secondharmonicgeneration,shg)，三次諧波(thirdharmonicgenaration,thg)，由于bbo晶體目前無(wú)法做到納米尺度，而螺旋結(jié)構(gòu)正好彌補(bǔ)了這一空缺，而通過(guò)我們的理論計(jì)算螺旋結(jié)構(gòu)在納米級(jí)別尺度非線性效率高于bbo晶體，因此螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)際中非線性強(qiáng)度會(huì)高于bbo晶體。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，將層狀螺旋ws2二維納米材料用作非線性光學(xué)晶體，測(cè)量所述非線性光學(xué)晶體的光學(xué)性質(zhì)時(shí)，包括下述步驟：

將生長(zhǎng)于透明石英襯底上的層狀螺旋ws2二維納米材料放置于光學(xué)顯微鏡的樣品臺(tái)，并將波長(zhǎng)為880～1300nm、優(yōu)選為1150-1250nm的光源，通過(guò)下照光路模式以透射方式通過(guò)10倍紅外物鏡聚焦于層狀螺旋ws2二維納米材料中的單個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)，光斑大為2-4μm、優(yōu)選為2.5-3.5μm、進(jìn)一步優(yōu)選為2.8-3.2μm；依次搜集從單層到多層的非線性光學(xué)信號(hào)，得到二次諧波及三次諧波的非線性光學(xué)信號(hào)。

對(duì)于二次諧波，三次諧波非線性光學(xué)性質(zhì)測(cè)試，可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨層數(shù)增加，二次諧波信號(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。使用1200nm波長(zhǎng)的飛秒脈沖光對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)的二次諧波，三次諧波進(jìn)行變功率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：二次諧波，三次諧波的信號(hào)強(qiáng)度與入射光功率有很好的二次方，三次方關(guān)系。證明了層狀螺旋ws2結(jié)構(gòu)是一個(gè)優(yōu)秀的納米級(jí)別的非線性光學(xué)晶體。對(duì)于非線性信號(hào)出射光的偏振分析可發(fā)現(xiàn)，螺旋結(jié)構(gòu)是一個(gè)一直旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，這也是對(duì)稱性破缺有很強(qiáng)非線性光學(xué)性質(zhì)的原因。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，非線性光學(xué)性質(zhì)測(cè)試時(shí)，所用光源為飛秒脈沖光源；其重復(fù)頻率為0.5～1khz、優(yōu)選為1khz。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，二次諧波的信號(hào)強(qiáng)度和光源的入射光功率呈現(xiàn)二次方關(guān)系；三次諧波的信號(hào)強(qiáng)度和光源的入射光功率呈現(xiàn)三次方關(guān)系。

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用，所述ws2層呈三角形；且ws2層的層間距0.6-0.7nm。

原理和優(yōu)勢(shì)

本發(fā)明一種層狀螺旋ws2二維納米材料的應(yīng)用；首次將層狀螺旋ws2二維納米材料用作非線性光學(xué)晶體。本發(fā)明通過(guò)嚴(yán)格精心搭建的微區(qū)非線性光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)層狀螺旋ws2二維納米材料的非線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)系統(tǒng)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)由于螺旋結(jié)構(gòu)線缺陷的存在，使得整個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)向上盤(pán)旋生長(zhǎng)過(guò)程中每一層之間都會(huì)存在一個(gè)小角度的偏轉(zhuǎn)，這個(gè)偏轉(zhuǎn)是的整個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)晶體不存在任何對(duì)稱中心，在飛秒脈沖聚焦后的激發(fā)下呈現(xiàn)出很強(qiáng)的二次諧波，三系諧波的非線性光學(xué)性質(zhì)。由于該結(jié)構(gòu)是納米級(jí)別厚度的，而且具有很強(qiáng)的非線性光學(xué)性質(zhì)，其完全可以作為微納米光電集成中一個(gè)優(yōu)秀的非線性晶體。

附圖說(shuō)明：

附圖1由圖1a-圖1f組成；

附圖1a為實(shí)施例1所制備的二維結(jié)構(gòu)ws2的光學(xué)顯微鏡圖；

附圖1b為實(shí)施例1所制備的二維結(jié)構(gòu)ws2三維afm輪廓圖；

附圖1c為實(shí)施例1所制備的二維結(jié)構(gòu)ws2多層結(jié)構(gòu)在螺旋位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)下制備螺旋結(jié)構(gòu)ws2二維納米結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖1d為附圖1b所制備的二維結(jié)構(gòu)ws2多層結(jié)構(gòu)高度輪廓圖；

附圖1e為二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2隨層數(shù)變化在相同激發(fā)光強(qiáng)度下的二次諧波信號(hào)強(qiáng)度；

附圖1f為二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2中間區(qū)域多層結(jié)構(gòu)在改變激發(fā)光強(qiáng)度下的二次諧波信號(hào)強(qiáng)度；

附圖2由圖2a-圖2d組成；

附圖2a為實(shí)施例2所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2中間多層區(qū)域在改變激發(fā)光波長(zhǎng)測(cè)試的二次諧波，三次諧波的結(jié)果示意圖；

附圖2b為實(shí)施例2所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2中間多層區(qū)域在1200nm飛秒脈沖激發(fā)情況下，改變激發(fā)光強(qiáng)度測(cè)試的二次諧波，三次諧波的結(jié)果示意圖；

附圖2b插圖為實(shí)施例2所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2在改變激發(fā)光強(qiáng)度測(cè)試的二次諧波，三次諧波強(qiáng)度和激發(fā)光功率擬合得出二次方，三次方的結(jié)果示意圖；

附圖2c為常規(guī)結(jié)構(gòu)光學(xué)示意圖；

附圖2d為常規(guī)堆垛結(jié)構(gòu)的二次諧波，三次諧波實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二次諧波呈現(xiàn)奇偶性強(qiáng)度變化，而三次諧波僅與層數(shù)有關(guān)系；

附圖3由圖3a-圖3d組成；

附圖3a為實(shí)施例1所制備的二維結(jié)構(gòu)ws2螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)表征制樣sem圖；

附圖3b為實(shí)施例1所制備二維結(jié)構(gòu)ws2螺旋結(jié)構(gòu)橫截面原子結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3c為實(shí)施例1所制備二維結(jié)構(gòu)ws2螺旋結(jié)構(gòu)的頂視，側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3d為二維層狀材料常見(jiàn)的2h，3r結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4由圖4a-圖4d組成；

附圖4a為實(shí)施例1所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2的tem圖；

附圖4b-d為實(shí)施例1所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2不同區(qū)域高分辨原子原子結(jié)構(gòu)圖?？梢悦黠@看到螺旋結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過(guò)程晶格方向的偏轉(zhuǎn)；

附圖5由圖5a-圖5d組成；

附圖5a為實(shí)施例1所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2單層的二次諧波，三次諧波偏正測(cè)試結(jié)構(gòu)；

附圖5b為實(shí)施例1所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2中心區(qū)域二次諧波，三次諧波偏正測(cè)試結(jié)構(gòu)；

附圖5c為實(shí)施例1所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2單層結(jié)構(gòu)與入射光夾角變化的二次諧波強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果；

附圖5d為實(shí)施例1所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2中心區(qū)域與入射光夾角變化的二次諧波強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果；

附圖6由圖6a、圖6b組成；

附圖6a為實(shí)施例3所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2中心區(qū)域afm測(cè)試結(jié)果,該樣品被用作與厚度為1mm的bbo晶體作倍頻效率的對(duì)比；

附圖6b為實(shí)施例3所制備的二維螺旋結(jié)構(gòu)的afm測(cè)試結(jié)果，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“金字塔”結(jié)構(gòu)。插圖輪廓高度大約20nm。

從圖1中的結(jié)構(gòu)示意圖可以看出二維螺旋結(jié)構(gòu)ws2是盤(pán)旋式上升生長(zhǎng)的，而且由于盤(pán)旋上升生長(zhǎng)過(guò)程中角度偏轉(zhuǎn)是的螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)稱中心破缺，是的螺旋結(jié)構(gòu)非線性光學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出從單層到多層二次諧波信號(hào)逐漸增強(qiáng)。

從圖2a的變換入射飛秒脈沖光的波長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，螺旋結(jié)構(gòu)在不同波段都呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性光學(xué)信號(hào)。從圖2b的變功率實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，隨著激發(fā)光功率增加，螺旋結(jié)構(gòu)的二次諧波，三次諧波信號(hào)逐漸增加。從圖2c對(duì)入射激光功率和二次諧波，三次諧波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的擬合處理發(fā)現(xiàn)二次諧波，三次諧波對(duì)入射激光功率呈現(xiàn)出二次方，三次方的數(shù)學(xué)關(guān)系。從圖2d對(duì)常規(guī)堆垛結(jié)構(gòu)的二次諧波，三次諧波研究發(fā)現(xiàn)可知。常規(guī)結(jié)構(gòu)的二次諧波非線性光學(xué)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出奇數(shù)層強(qiáng)偶數(shù)層弱的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，而螺旋結(jié)構(gòu)則是層數(shù)越多，信號(hào)越強(qiáng)。而對(duì)于三次諧波非線性光學(xué)性質(zhì)，兩種結(jié)構(gòu)都曾現(xiàn)出層數(shù)越多信號(hào)越強(qiáng)。

從圖3的結(jié)構(gòu)表征可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明所使用的ws2層狀薄片與常規(guī)的2h，3r結(jié)構(gòu)不一樣。獨(dú)特的螺旋生長(zhǎng)機(jī)制決定其完全沒(méi)有對(duì)稱中心的區(qū)別于常規(guī)經(jīng)典結(jié)構(gòu)的一種特殊結(jié)構(gòu)。

從圖4可以看出，tem高分辨原子結(jié)構(gòu)圖可以清晰的看出螺旋結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)過(guò)程中存在的角度一直偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

從圖5非線性偏振實(shí)驗(yàn)可以看出，螺旋結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)過(guò)程中存在的角度一直偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

從圖6厚度在20nm級(jí)別的螺旋結(jié)構(gòu)與塊狀厚度為1mmbbo晶體倍頻實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，螺旋結(jié)構(gòu)擁有很強(qiáng)的倍頻效率。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

將生長(zhǎng)于透明石英襯底上的層狀螺旋ws2二維納米材料放置于光學(xué)顯微鏡的樣品臺(tái)，并將波長(zhǎng)為1230nm，頻率為1khz的光源，通過(guò)下照光路模式以透射方式通過(guò)10倍紅外物鏡聚焦于層狀螺旋ws2二維納米材料中的單個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)，光斑大為3.0-3.2μm；依次搜集從單層到多層的非線性光學(xué)信號(hào)，得到二次諧波及三次諧波的非線性光學(xué)信號(hào)。

實(shí)施例2

將生長(zhǎng)于透明石英襯底上的層狀螺旋ws2二維納米材料放置于光學(xué)顯微鏡的樣品臺(tái)，并將波長(zhǎng)為1120～1300nm,頻率為1khz的光源，通過(guò)下照光路模式以透射方式通過(guò)10倍紅外物鏡聚焦于層狀螺旋ws2二維納米材料中的單個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)，光斑大為2.8-3.0μm；搜集到多層的非線性光學(xué)信號(hào)，得到二次諧波及三次諧波的非線性光學(xué)信號(hào)。

實(shí)施例3

將生長(zhǎng)于透明石英襯底上的層狀螺旋ws2二維納米材料放置于光學(xué)顯微鏡的樣品臺(tái)，并將波長(zhǎng)為880nm,頻率為1khz的光源，通過(guò)下照光路模式以透射方式通過(guò)10倍紅外物鏡聚焦于層狀螺旋ws2二維納米材料中的單個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)，光斑大為3.5-3.7μm；搜集到多層的非線性光學(xué)信號(hào)，同樣的測(cè)試條件，測(cè)試商用的bbo晶體。

對(duì)比例1

將生長(zhǎng)于透明石英襯底上的層狀螺旋ws2二維納米材料放置于光學(xué)顯微鏡的樣品臺(tái)，并將波長(zhǎng)為800nm,頻率為80mhz的的飛秒的光源，通過(guò)下照光路模式以透射方式通過(guò)10倍紅外物鏡聚焦于層狀螺旋ws2二維納米材料中的單個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)，光斑大為3.5-3.7μm；依次搜集從單層到多層的非線性光學(xué)信號(hào)，無(wú)法得到二次諧波及三次諧波的非線性光學(xué)信號(hào)。