可饱和吸收体 | Laser & Photonics Reviews | 浙江大学光电科学与工程学院邱建荣组MXene研究综述

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研究速览

■ 二维层状结构的过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物材料（MXene）因其优异的电学与光学性质被广泛应用于生物科技、微电子、信息技术等领域。自从第一个MXene成员在2011年首次被美国德雷塞尔（Drexel）大学的尤里·高果奇教授（Professor Yury Gogotsi）课题组成功合成以后，该类材料在近十年内已在多个科研领域引起了极大的关注。其中，MXene材料因其具备卓越的非线性光学效应被制成可饱和吸收体，用于实现超快锁模激光，成为继碳纳米管、石墨烯、黑磷等材料后制作光调制器与可饱和吸收体的后起之秀。

■ 浙江大学光电科学与工程学院邱建荣教授团队近年潜心低维材料及其非线性光学性质的研究与器件的开发。在团队对二维材料制备与光学性质的大量研究和分析的基础上，对MXene材料做为可饱和吸收体进行了全方面的分析与总结，在《Laser & Photonics Reviews》发表了相关综述论文。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ MXenes是一类新型的二维金属碳化物、硼化物和氮化物，是最大的二维纳米材料家族之一，在光子学、电子学和能源方面提供了巨大的可能性，特别是最近发现的MXenes是传统可饱和吸收剂（SA）的替代品，如碳纳米管和石墨烯，用于产生短激光脉冲。高饱和吸收、惊人的调制深度、灵活的带隙可调性和费米能级附近的高电子密度是使MXenes成为SAs优秀候选材料的主要特征。本文综述了MXene的合成和表征的最新进展，重点介绍了非线性饱和吸收以及MXene SA在锁模光纤激光器中的应用。还讨论了与基于MXene的SA相关的新问题和挑战，以及所审查主题的未来前景。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 这篇综述论文探讨了MXene对比碳纳米管、石墨烯、黑磷等材料做为可饱和吸收体的优缺点，并对不同种类的MXene材料在能带结构、线性与非线性光学性质等材料特性方面进行了比较。此外，介绍了多种制备MXene材料的方法，其中包括液相酸性刻蚀法、电化学剥离法与液相剥离法并对这些制备方案的优缺点进行了比较。目前，90%以上的案例都采用液相酸性刻蚀法，该方法能快捷、经济地制备MXene材料。MXene材料目前可以多种形式制成光纤耦合型可饱和吸收体，包括拉锥光纤、D型光纤、浸蚀光纤与法兰锁紧式光纤套接管。其中，瞬逝场型光纤如拉锥光纤与D型光纤拥有更高的损伤阈值，浸蚀光纤多用于制作反射型可饱和吸收镜器件，法兰锁紧式光纤套接管则因其更简单的制备方法和结构而广受欢迎。为了能更清楚地掌握各个MXene饱和吸收体的非线性光学特征，通过I扫描测试获得相关的非线性光学吸收参数，例如调制深度和可饱和吸收强度。此外，通过Z扫描测试可获得其它非线性光学参数，例如非线性吸收系数。MXene材料在近红外的波段拥有可媲美氧化石墨烯的非线性吸收系数，比黑磷和二硫化鉬高出两个数量级。

▉  研究要点2  ▉

■ 此外，文章概述了近年来基于MXene的可饱和吸收体用于实现近红外波段，特别是1.0、1.5和2.0微米波段的锁模激光案例。分析了一些有研究意义的锁模激光形式，包括谐波锁模、孤子分子、方形脉冲与多波段锁模激光等。这些有趣的锁模脉冲的输出表明MXene可饱和吸收体在超快激光器中有很好的应用前景。论文概括了自2017年第一篇MXene可饱和吸收体实现锁模激光的论文发表至今的所有MXene材料的种类与制备方式、可饱和吸收体结构、可饱和吸收体制作方式与锁模激光的参数。迄今为止，MXene材料在应用于制备可饱和吸收体方面仍然面临一系列挑战，包括：

1）一些MXene成员的能隙大小未知，有待于进一步确定；

2）在液相酸性刻蚀法中使用的氫氟酸为高度腐蚀性液体带来潜在的环境问题，

3）MXene材料大都更适合低温（低于5摄氏度）存放，因此常温下稳定性欠佳。这些都是近期学者们必须克服的问题，基于这些问题，论文提出了一些客观的建议与解决方案。

▉  研究要点3  ▉

■ 最后，这篇综述论文可以帮助刚入门的读者们掌握相关的理论基础，同时为资深的研究者提供较为详尽的关于MXene材料做为可饱和吸收体用于及实现近红外波段锁模激光的研究现状，并能从中得到一些科研工作上的启发。

Part3

▉  研究总结  ▉

■相关工作以“MXene Saturable Absorbers in Mode-locked Fiber Laser”为题，发表在Laser & Photonics Reviews上，文章作者为浙江大学光电科学与工程学院博士后刘坤耀博士、浙江大学材料科学与工程学院刘小峰副教授，和浙江大学光电科学与工程学院邱建荣教授。

文章链接：

10.1002/lpor.202100709