研究速覽

■?二維層狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物/氮化物/碳氮化物材料（MXene）因其優(yōu)異的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于生物科技、微電子、信息技術(shù)等領(lǐng)域。自從第一個(gè)MXene成員在2011年首次被美國(guó)德雷塞爾（Drexel）大學(xué)的尤里·高果奇教授（Professor Yury Gogotsi）課題組成功合成以后，該類材料在近十年內(nèi)已在多個(gè)科研領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注。其中，MXene材料因其具備卓越的非線性光學(xué)效應(yīng)被制成可飽和吸收體，用于實(shí)現(xiàn)超快鎖模激光，成為繼碳納米管、石墨烯、黑磷等材料后制作光調(diào)制器與可飽和吸收體的后起之秀。

■?浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院邱建榮教授團(tuán)隊(duì)近年潛心低維材料及其非線性光學(xué)性質(zhì)的研究與器件的開發(fā)。在團(tuán)隊(duì)對(duì)二維材料制備與光學(xué)性質(zhì)的大量研究和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)MXene材料做為可飽和吸收體進(jìn)行了全方面的分析與總結(jié)，在《Laser & Photonics Reviews》發(fā)表了相關(guān)綜述論文。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?MXenes是一類新型的二維金屬碳化物、硼化物和氮化物，是最大的二維納米材料家族之一，在光子學(xué)、電子學(xué)和能源方面提供了巨大的可能性，特別是最近發(fā)現(xiàn)的MXenes是傳統(tǒng)可飽和吸收劑（SA）的替代品，如碳納米管和石墨烯，用于產(chǎn)生短激光脈沖。高飽和吸收、驚人的調(diào)制深度、靈活的帶隙可調(diào)性和費(fèi)米能級(jí)附近的高電子密度是使MXenes成為SAs優(yōu)秀候選材料的主要特征。本文綜述了MXene的合成和表征的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了非線性飽和吸收以及MXene SA在鎖模光纖激光器中的應(yīng)用。還討論了與基于MXene的SA相關(guān)的新問題和挑戰(zhàn)，以及所審查主題的未來前景。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?這篇綜述論文探討了MXene對(duì)比碳納米管、石墨烯、黑磷等材料做為可飽和吸收體的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)不同種類的MXene材料在能帶結(jié)構(gòu)、線性與非線性光學(xué)性質(zhì)等材料特性方面進(jìn)行了比較。此外，介紹了多種制備MXene材料的方法，其中包括液相酸性刻蝕法、電化學(xué)剝離法與液相剝離法并對(duì)這些制備方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。目前，90%以上的案例都采用液相酸性刻蝕法，該方法能快捷、經(jīng)濟(jì)地制備MXene材料。MXene材料目前可以多種形式制成光纖耦合型可飽和吸收體，包括拉錐光纖、D型光纖、浸蝕光纖與法蘭鎖緊式光纖套接管。其中，瞬逝場(chǎng)型光纖如拉錐光纖與D型光纖擁有更高的損傷閾值，浸蝕光纖多用于制作反射型可飽和吸收鏡器件，法蘭鎖緊式光纖套接管則因其更簡(jiǎn)單的制備方法和結(jié)構(gòu)而廣受歡迎。為了能更清楚地掌握各個(gè)MXene飽和吸收體的非線性光學(xué)特征，通過I掃描測(cè)試獲得相關(guān)的非線性光學(xué)吸收參數(shù)，例如調(diào)制深度和可飽和吸收強(qiáng)度。此外，通過Z掃描測(cè)試可獲得其它非線性光學(xué)參數(shù)，例如非線性吸收系數(shù)。MXene材料在近紅外的波段擁有可媲美氧化石墨烯的非線性吸收系數(shù)，比黑磷和二硫化鉬高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?此外，文章概述了近年來基于MXene的可飽和吸收體用于實(shí)現(xiàn)近紅外波段，特別是1.0、1.5和2.0微米波段的鎖模激光案例。分析了一些有研究意義的鎖模激光形式，包括諧波鎖模、孤子分子、方形脈沖與多波段鎖模激光等。這些有趣的鎖模脈沖的輸出表明MXene可飽和吸收體在超快激光器中有很好的應(yīng)用前景。論文概括了自2017年第一篇MXene可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)鎖模激光的論文發(fā)表至今的所有MXene材料的種類與制備方式、可飽和吸收體結(jié)構(gòu)、可飽和吸收體制作方式與鎖模激光的參數(shù)。迄今為止，MXene材料在應(yīng)用于制備可飽和吸收體方面仍然面臨一系列挑戰(zhàn)，包括：

1）一些MXene成員的能隙大小未知，有待于進(jìn)一步確定；

2）在液相酸性刻蝕法中使用的氫氟酸為高度腐蝕性液體帶來潛在的環(huán)境問題，

3）MXene材料大都更適合低溫（低于5攝氏度）存放，因此常溫下穩(wěn)定性欠佳。這些都是近期學(xué)者們必須克服的問題，基于這些問題，論文提出了一些客觀的建議與解決方案。

▉? 研究要點(diǎn)3??▉

■?最后，這篇綜述論文可以幫助剛?cè)腴T的讀者們掌握相關(guān)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)為資深的研究者提供較為詳盡的關(guān)于MXene材料做為可飽和吸收體用于及實(shí)現(xiàn)近紅外波段鎖模激光的研究現(xiàn)狀，并能從中得到一些科研工作上的啟發(fā)。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■相關(guān)工作以“MXene Saturable Absorbers in Mode-locked Fiber Laser”為題，發(fā)表在Laser & Photonics Reviews上，文章作者為浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院博士后劉坤耀博士、浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉小峰副教授，和浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院邱建榮教授。

文章鏈接：

10.1002/lpor.202100709