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金属有机框架材料:一个新型非线性光学的材料宝库

深圳大学张晗教授团队设计并合成了一种Ni元素掺杂的MOF二维晶体材料。理论计算表明,该二维MOF材料的带隙可随着Ni元素掺杂浓的升高,带隙逐渐减小,覆盖了可见光到中红外波段。

非线性光学材料是未来集成光电子器件的核心元素。二维材料具有与传统体材料所不同的各种新颖的物理化学特性,并且完美的符合了人们日益增加的对于小型化、集成化、高效率、多功能器件的需求,因而成为了目前各学科交叉研究的热点和重点。石墨烯(graphene)作为二维晶体材料的代表已在光电领域展示了其广阔的应用前景,如光电调制器,超快光子学,等离子激元器件,超宽带光谱等等。然而,由于其本征的零带隙结构,以及高的线性吸收度(2.3%每原子层),这在一定程度上限制了其应用范围。

受到石墨烯巨大成功的启发,科研人员遂逐渐将目光拓展到了其他二维材料,如黑磷、过渡族金属二硫化物(TMDCs)、拓扑绝缘体等新型二维材料,并且获得许多令人兴奋的成果。例如,黑磷的带隙可随着原子层数的增加而由单层的 2 eV 逐渐调制到体材料的 0.3 eV,并且在该变化过程中始终保持直接带隙结构; TMDCs 在光电探测方面展示出了独特的优异性能;拓扑绝缘体在费米面附近能级与波矢成线性色散关系,在自旋电子学(Spintronics)领域具有巨大的应用前景。尽管如此,由于这些二维材料制备技术的不成熟、对材料性能的系统研究还有待加强,以及新型二维材料的不断涌现,谁将主导未来的二维非线性光学材料仍然是一个开放性的问题。人们仍然在根据不同的需求寻找与之匹配的新的高性能二维非线性光学材料。

金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是由金属节点和有机配位体支撑构成的规则晶体结构。人们可根据需求,对材料的结构、成分和性能进行一定范围的任意设计和组装,这个科研人员提供了一个类似于搭建乐高(Lego)玩具的纳米光电材料库。

金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks)——一个新型非线性光学的材料宝库

基于此,深圳大学张晗教授团队设计并合成了一种Ni元素掺杂的MOF二维晶体材料。理论计算表明,该二维MOF材料的带隙可随着Ni元素掺杂浓的升高,带隙逐渐减小,覆盖了可见光到中红外波段。 实验上,该团队系统的表征其可见到近红外波段的宽带非线性光学性能,其表现出了类似于石墨烯的优异非线性光学性能。通过将其集成到超快激光的产生中器件中,最终在通讯波段获得了稳定的飞秒激光输出。考虑到MOF材料的结构和化学组成多样性(目前已有超过2000种MOF材料报道),以及MOF材料其他优异的性能,如比表面积大、低密度、良好的生物相容性、化学可修饰性以及拓扑结构多样性等等,该研究工作为非线性光学器件的研究指出了一个丰富的可自由设计和组装的材料宝库。

        相关文章在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201800561)上。

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