Stabling af orden og belastning øger den anden harmoniske generation med 2D Janus hetero-dobbeltlag

En gruppe forskere fra Tohoku University, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Rice University, Hanoi University of Science and Technology, Zhejiang University og Oak Ridge National Laboratory har foreslået en ny mekanisme til at forbedre lys med kort bølgelængde (100-300 nm) ) ved anden harmonisk generation (SHG) i et todimensionelt (2D), tyndt materiale, der udelukkende består af almindelige elementer.

Da UV-lys med SHG spiller en vigtig rolle i halvlederlitografiudstyr og medicinske applikationer, der ikke bruger fluorescerende materialer, har denne opdagelse vigtige implikationer for eksisterende industrier og alle optiske applikationer.

Detaljer om forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano den 29. august 2023. Undersøgelsen blev udvalgt til at blive vist på forsiden.

Janus Transition Metal Dichalcogenides (TMD'er) er en specifik klasse af 2D-materialer, typisk sammensat af et overgangsmetal (såsom molybdæn eller wolfram) klemt mellem to chalcogen-elementer (såsom svovl, selen eller tellur). Opkaldt efter den romerske gud Janus, som havde to ansigter, der kiggede i modsatte retninger, har Janus TMD'er ikke inversionssymmetri mellem to overflader af tyndt materiale. Denne indbyggede asymmetri gør Janus-TMD-materialer velegnede til SHG, især når de to TMD'er er hetero-stablede.

SHG er en ikke-lineær optisk proces, hvor to fotoner med samme frekvens (ω) interagerer ikke-lineært med materialet, og som følge heraf genereres en enkelt foton med dobbelt frekvens (2ω) (eller halv bølgelængde). Grundlæggende er det et fænomen, hvor indkommende lys omdannes til lys med dobbelt frekvens eller halv bølgelængde.

SHG er vigtig i forskellige applikationer, herunder laserteknologi, mikroskopi, lægevidenskab og faststoffysik. SHG bruges til at generere lys med kortere bølgelængder, hvilket kan være værdifuldt inden for områder som halvlederlitografiudstyr og medicinske applikationer, såsom billedbehandlingsteknikker, der ikke bruger fluorescerende materialer.

"Vores team af forskere optimerede betingelserne for SHG i heterobilag af 2D Janus TMD-materialerne," påpeger Nguyen Tuan Hung, assisterende professor ved Frontier Institute for Interdisciplinary Science (FRIS), Tohoku University. "Specifikt fandt vi, at AA-stabling, hvor atomer i det øverste lag direkte overlapper atomer i det nederste lag, og AB-stabling, hvor atomer i det øverste lag ikke direkte overlapper atomer i det nederste lag, resulterede i en tredobbelt forbedring af førstnævnte i den ikke-lineære optiske respons af SHG." Denne teoretiske forudsigelse stemte overens med det faktum, at SHG-spidsintensiteten er fire gange større for AA-stabling end for AB-stabling i eksperimentet.

"Således har vi foreslået, at SHG-intensitet også er en nyttig måde at bestemme, hvordan lagene af 2D-materialer er stablet," sagde Nguyen. Derudover foreslår forskerne, at tilføjelse af lateral belastning (op til 20%) til disse materialer yderligere kan øge lysintensiteten betydeligt."

"Vores forskning introducerer en ny kategori af materialer, der producerer SHG, og vi kan lave dem på en fleksibel måde ved hjælp af 2D-materialer," tilføjer Nguyen.

Flere oplysninger: Nguyen Tuan Hung et al., ikke-lineære optiske svar fra Janus MoSSe/MoS2 Heterobilayers Optimized by Stacking Order and Strain, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04436

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Tohoku University