黑磷相关低维层状结构非线性光学吸收性质的理论研究

Black phosphorus(BP), a two-dimensional layered material, has been recently rediscovered. It can be applied to optoelectronic device through nonlinear absorption(NLA), especially multiphoton absorption(MPA), saturable absorption(SA) and so on. At present, the theoretical studies on nonlinear absorption in BP lag behind the experimental progresses a lot.There is no good theory to verify the experimental data. This project plans to establish the NLA theory for low dimensional layered materials (BP,BP quantum dots), starting from the electron-photon interaction hamiltonian, by employing the quantum mechanics. Then we can obtain the NLA spectrum for BP and related low dimensional layered materials. And we explore how the thichness，polarization and the size of BP quantum dots affect the NLA properties.This project is the combination of nonlinear optics theories and new nanomaterials, which will not only improve the theory of NLA effects for two-dimensional layered materials, but also provide ones with instructions of engineering BP for desired optoelectronic device production and applications.

二维黑磷是新兴的层状结构材料，具有优越的非线性光学性能。非线性光学吸收(主要是多光子吸收以及饱和吸收等)是将其应用于光电器件制作的重要非线性光学效应。目前对于黑磷及其相关低维纳米材料非线性光学吸收性质的理论研究滞后于实验研究，缺乏准确和完备的理论来证实和解释实验数据的可靠性。本课题拟以二维黑磷、零维黑磷量子点为研究对象，试图从微观角度运用量子理论，从电子-光子相互作用哈密顿量出发，建立各向异性的低维层状材料中的非线性光学吸收理论，获得黑磷及其相关低维纳米材料的非线性光学吸收谱，理论分析黑磷的原子层数、入射光的偏振方向以及黑磷量子点的尺寸对非线性光学吸收性质的影响，探究二维黑磷具有宽波段可调谐非线性光学吸收效应的物理机制。本课题是非线性光学理论与新材料的有机结合，不仅将会完善二维层状结构材料中非线性光学吸收效应的理论，也会为黑磷在光电器件的制作与应用提供理论指导。

二维黑磷具有禁带宽度可调节、层内各向异性等特点，可应用于从可见光到中红外宽波段调节的光电器件。为探究原子层数以及其各向异性对黑磷非线性光学吸收性质的调制，本项目展开了以下研究：（1）分别采用紧束缚模型、连续近似模型以及k•p模型计算了二维黑磷以及黑磷纳米带的电子能态，得到了原子层数、纳米带尺寸对黑磷/黑磷纳米带禁带宽度调节的函数关系式；（2）采用二阶微扰理论，从电子跃迁速率出发，模拟了黑磷/黑磷纳米带的双光子吸收谱，揭示了原子层数、入射光偏振方向以及纳米带尺寸对双光子吸收系数的调控关系；（3）探究了外加电场下，Rashba自旋轨道耦合效应（RSOC）以及层间能量差所带来的不同层数黑磷电子能态的新特点及其对双光子吸收系数的增强效应。. 研究结果表明，黑磷禁带宽度随着原子层数的增加而减小，当超过15层以后，禁带宽度不再明显减小；扶手型黑磷纳米带的禁带宽度反比于纳米带带宽的平方，而锯齿型黑磷纳米带禁带宽度反比于纳米带带宽。黑磷的双光子吸收系数随着原子层数的增加而增大，且伴随着吸收峰红移；双光子吸收峰的峰值以π为周期呈现出线偏振光偏振角的余弦相关的函数关系。垂直外电场下，RSOC效应导致单层黑磷能带分裂成自旋向下和自旋向上两个子能带，并使双光子吸收效应得到增强，且双光子吸收系数随着外加电场强度的增大而增大；双层和三层黑磷中，外电场所致层间能量差Δ存在一个临界值（对于双层黑磷Δ=1.463eV，对于三层黑磷，Δ=0.992eV），此时带隙闭合，系统变为狄拉克金属；当Δ超过该临界值时，能带出现类狄拉克锥。当层间能量差低于临界值时，其双光子吸收系数随着层间能量差的增大而增大，并且吸收峰发生红移；当层间能量差等于临界值时，其双光子吸收系数达到最大且比未加电场时高出6个数量级。. 上述研究结果既完善了二维层状结构材料的非线性光学吸收理论，也为黑磷在光电器件的制作和应用方面提供了理论指导。