ACS Nano：基于等离激子元半导体纳米晶体的近/中红外光学调制

【引言】

半导体中的电场效应是基于电流和电压的非线性关系，同样地，材料对于光场的非线性响应也能被用于光学调制。目前已经在多种材料中观察到了可饱和吸收特性，包括有带隙的材料和无带隙的材料石墨烯等。然而有带隙的材料吸收带宽小，而无带隙的材料由于Dirac点附近的态密度小而吸收强度低，这限制了饱和吸收体材料的可工作波段的带宽和强度。

【成果简介】

浙江大学的邱建荣教授、刘小峰副教授（共同通讯作者）等人提出基于半导体纳米晶表面等离子体效应的可饱和吸收体，该可饱和吸收体具有同时覆盖近红外和中红外的超宽工作带宽（＞400THz），超快的载流子衰减速率（~315 fs）以及非常大的调制深度（~7 dB）。利用该可饱和吸收体，分别实现1.0，1.5 和2.8 um的脉冲激光，覆盖了整个近红外波段以及部分中红外波段，最小脉宽达几百飞秒。该非传统表面等离子体纳米晶的合成方法简单、共振峰位可调以及超宽带的光学非线性响应，为红外非线性光子学及其功能构筑提供了一种新型的材料载体。

【图文介绍】

图1: Cu2-xS纳米晶体的结构和表征

图a : 该合成纳米晶体的TEM图像以及电子衍射图形

图b和c : 纳米晶体侧视图和俯视图的HRTEM图

图d和e : 纳米晶体的粒度分布和XRD图像

图f和g : 该合成纳米晶体图Cu和S的XPS谱

图2 : 合成纳米晶体的线性光学吸收

图a : 合成晶体的吸收谱

图b : 计算出化合物Cu58S32的能带结构和能态密度

图c和d : 不同离子的掺杂和混合对等离子体共振的调制以及相应的共振峰波长和载流子密度之间的函数关系

图3 : 等离激元半导体晶体的非线性光学吸收

图a : 1300nm 下Cu2-xS和Cu2S的Z方向的扫描曲线

图b : Cu2-xS的输入能量密度与透射率之间的关系

图c : 调制深度受到泵浦光的波长变化调制（波800nm,1200nm,1300nm,1400nm,能量密度都为28mJ/cm2）

图d : 在波长1300nm的光源下等离激元晶体的瞬态吸收

图4 : 1.5μm的超快脉冲

图a :典型的锁模光谱                            图b : 锁模脉冲列

图c : 自相关的脉冲迹                           图d : 基本频率的射频光谱

图5 : 2.8μm的超快脉冲

图a : 典型的锁模光谱

图b : 输出能量分别为126mW,167mW,214mW的脉冲列

图c : 输出能量在214mW的单脉冲波形，以及相应的射频光谱

文献连接 ：Universal Near-Infrared and Mid-Infrared Optical Modulation for Ultrafast Pulse Generation Enabled by Colloidal Plasmonic Semiconductor Nanocrystals (ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b04536 )

作者简介 :
邱建荣：浙江大学教授，博士生导师。2001年获国家杰出青年基金，2008年入选教育部长江特聘教授，现任教育部“玻璃光纤材料与器件”创新团队带头人。他的团队主要从事功能玻璃、超快激光与玻璃相互作用以及无机发光材料的研究。迄今为止发表SCI收录论文500余篇（国际权威期刊如Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Phys. Rev. Lett., Nano Lett.等影响因子大于3的215篇），被SCI他引9180余次。申请专利125项，授权54项（国外4项）。在OECC等国际会议作大会或邀请报告52次。8项研究成果被Nature的Science update等作了介绍。1999年获日本稀土学会足立奖（每年1名）。2005年获国际Otto-Schott研究奖（华人唯一），2007年获日本陶瓷协会学术奖（华人首次）。兼任了中国硅酸盐学报、J. Non-Cryst. Solids, Int. J. Appl. Glass Sci., Frontires in Materials-Glass Science等期刊的副主编或编委。

本文由材料人电子电工学术组徐瑞供稿，材料牛整理编辑。

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