與其他低維材料相比，過渡金屬的二維(2D)碳化物，即所謂的“MXenes”，通過氫鍵保持了優異的光學性能和獨特的層堆積形式。這些特性在超快光子領域引起了越來越多的研究興趣。在這項工作中，我們通過超聲輔助液相剝離技術，實驗合成了碳化鈦(Ti3C2Tx)和碳化鉭(Ta4C3Tx)，作為兩種有前景的MXene光子應用材料。通過透射電子顯微鏡和x射線衍射分析對制備的Ti3C2Tx和Ta4C3Tx的形貌進行了系統的表征。利用密度泛函理論獲得了它們的電子帶結構，證明了它們的金屬性質，并驗證了它們在1 μm處的光學吸收。通過將它們作為波導激光腔內的可飽和吸收體，證明了它們對多吉赫茲脈沖激光發射具有誘人的光學調制特性。特別是，基于混合波導激光器結構實現了具有/不具有激光反射鏡的高性能調q鎖模激光器，提供了1 μm的激光脈沖，持續時間短至30 ps。研究結果顯示了金屬MXenes和波導結構在功能光子器件應用中的巨大潛力。
圖1 (a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的制備過程示意圖。
圖2. 多層(a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的SEM圖像。TBAOH插層后的Ti3C2Tx和Ta4C3Tx MXenes的HRTEM和SAED圖像。(e) Ti3C2Tx(頂部)和標準Ti3AlC2光譜(底部)的XRD光譜。(f) Ta4C3Tx(頂部)和標準Ta4AlC3光譜(底部)的XRD圖案。
圖3 制備的(a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx薄膜的AFM圖像和從AFM圖像獲得的少層Ti3C2Tx和(d) Ta4C3Tx MXenes的橫截面高度剖面。
圖4. (a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的晶體結構的頂部和側面視圖。 (c) 兩層 Ti3C2Tx和(d) Ta4C3Tx的能帶結構。
圖5 (a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的NIR-MIR光譜。實驗結果和理論擬合(c) Ti3C2Tx和(d) Ta4C3Tx的非線性吸收基于開放孔徑z -掃描測量在1035 nm。
圖6 用于引導特性表征和QML激光產生的典型端面耦合系統的說明。
圖7 基于Ti3C2Tx SA的波導激光器性能研究。
圖8 基于Ta4C3Tx SA的波導激光器性能研究。
相關科研成果由山東大學晶體材料學院Feng Chen等人于2023年發表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04004)上。原文：Nanometer-Thin Stacks of MXenes (Ti3C2Tx and Ta4C3Tx) for Applications as Nonlinear Photonic Devices。
轉自《石墨烯研究》公眾號
