二维半导体多光子效应: 全新物理机制以及应用

多光子吸收是一个非线性的光电过程，它能同时吸收数个光子，来激发一个电子到高能态。多年来，多光子吸收已被广泛应用于生物和医学成像,三维微加工，以及其它领域。三维半导体材料的多光子吸收，已经被研究和应用。近年来,研究表明，以过渡金属硫化物(TMDCs)为代表的新型二维半导体材料，随着其厚度的减小展现出独特光学特性,尤其是库仑力增强而导致显著的激子效应。这些特性给二维半导体材料的多光子吸收带来了广阔的研究空间，以及无限的应用前景。

层状过渡金属硫化物（例如：MoS2，WS2，WSe2 和 MoSe2）的多光子吸收效应已被观察到。但是，其多光子吸收特性以及物理机制还未被深入发掘。

最近，深圳大学-新加坡国立大学，二维材料光电科技国际合作联合实验室的季伟教授及其团队提出了一个新颖独创的物理模型，成功地解释了实验上观察到的，超大的三光子吸收效应。基于激子作用下独特的能带结构，该理论模型从本质上揭示了二维半导体材料的三光子吸收过程。通过与二维激子产生共振，理论模型证实，三光子吸收效应被成倍增强。实验上，单层二硫化钼良好导电性使三光子产生的激子被迅速转变成载流子，该载流子导致了超强的非线性光电流响应。结果表明，单层二硫化钼的简并三光子吸收系数在近红外波段达到了1GW2/cm3的量级。相比于三维半导体材料，这个系数增加了10到1000倍。

该结果显示，二维半导体材料是一类高效率多光子吸收材料。并且，这些二维半导体材料具有厚度薄, 响应速度快, 信号反映敏感等特点, 在未来器件小型化合集成化程度不断提高的大趋势下，必然成为下一代光电子产品最关键的要素之一。

相关文章发表在Laser & Photonics Reviews（DOI:10.1002/lpor.201700021）上。作者：Feng Zhou, Wei Ji*。原文链接如下，或者点击下方阅读原文

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201700021/full。