二维黑磷晶体的非线性光谱研究

One of the most intriguing properties of two-dimensional (2D) materials is their large tunability, which can largely facilitate the flexibility of designing and optimizing of semiconductor devices. This tunability of 2D materials is typically associated with the band structures. Black phosphorus (BP) is a newly discovered 2D material with increasing interest, possessing a unique crystal structure and excellent physical properties. It is predicted theoretically that BP has a highly tunable direct bandgap, covering a wide frequency range from visible to mid-infrared. However, the experimental study of BP is rather limited. In this project, we plan to conduct a detailed study of BP and its Van der Waals heterojunctions by optical spectroscopy, aiming to reveal the unique band structure of BP, and explore efficient methods to engineer the band structure. Furthermore, we will study the nonlinear optical properties of BP. Combined with theoretical calculations, we aim to deeply understand the physical mechanism of band structure engineering, laying the foundation for BP applications in future optoelectronic devices. We believe that this project will play a key role in advancing the applications of BP.

二维材料的一个诱人特性是它的物理性质具有很大的可调控性，可以增加人们设计和优化半导体器件的灵活性。二维材料的这种可调控性往往与其电子能带结构有着很大的关联。黑磷是近年来备受关注的新型二维半导体材料，具有独特的晶体结构和优异的物理性质。理论研究表明，黑磷具有高度可调的直接带隙，覆盖从可见光到中红外的很宽的光谱范围，但是实验上却缺乏准确、便捷的表征手段。本项目拟采用光谱学手段对二维黑磷晶体及范德瓦尔斯异质结进行系统的光谱学表征，致力于揭示黑磷独特的电子能带结构，并且探索有效的能带调控手段，在此基础上深入研究其非线性光学效应。紧密结合理论计算，理解能带调控的物理机制，为设计、制备基于黑磷的纳米光电器件提供前瞻性的理论和实验依据。本项目对推动黑磷的实际应用具有重要的意义。

在少层二维材料中，“一层”可以看作是一个基本单元，层与层之间通过范德瓦尔斯力结合，这种层间相互作用基本上决定了材料的物理性质。黑磷是近年来备受关注的二维直接带隙半导体，具有独特的面内褶皱晶体结构和很强的层间相互作用，为我们研究层数依赖关系提供了理想的平台，也为红外光电器件的应用提供了巨大的机遇。项目负责人采用傅里叶变换红外光谱，对机械剥离的不同层数的二维黑磷进行了系统的表征，着重研究了层数依赖的光学性质以及能带调控。具体成果如下：1. 揭示了二维黑磷“以少胜多”的光学吸收现象。在实验上定量地测定了二维黑磷的光吸收强度，并且详细研究了光吸收与层数的关系。发现激子对光的吸收能力随着层数的减少而增强；而带边吸收却几乎是一个常数，与层数无关，这个常数不仅与石墨烯的通用光电导σ0有关，而且还会受到能带各向异性的影响。2. 揭示了二维黑磷层间相互作用的应力和温度调控。系统地研究了二维黑磷的能带结构随着应力和温度的演化规律。研究发现1%的双轴面内应变可以带来~10%的层间相互作用的改变，表明面内应力可以非常有效地调控层间相互作用。研究发现温度对黑磷带隙的影响随着层数变化，从体材料的反常温度效应逐渐演变为单层的正常温度效应。此外，温度效应不仅和层数有关，也和子能级有关，根本原因在于温度调控了层间相互作用。3. 研究了降解对二维黑磷能带结构的影响。研究发现二维黑磷在空气中，红外光谱会发生显著变化，作为“指纹”信号，傅里叶变换红外光谱可以快速表征二维黑磷的降解。另外，研究发现干燥的氮气可以很好地保护二维黑磷，为未来的器件应用提供了重要的实验依据。4. 全面、详细地总结了二维黑磷中层数依赖的电子结构和光学性质（激子、荧光、非线性光学效应等），以及能带调控，为二维黑磷的后续科学研究和红外器件应用提供借鉴。