与其他低维材料相比，过渡金属的二维(2D)碳化物，即所谓的“MXenes”，通过氢键保持了优异的光学性能和独特的层堆积形式。这些特性在超快光子领域引起了越来越多的研究兴趣。在这项工作中，我们通过超声辅助液相剥离技术，实验合成了碳化钛(Ti3C2Tx)和碳化钽(Ta4C3Tx)，作为两种有前景的MXene光子应用材料。通过透射电子显微镜和x射线衍射分析对制备的Ti3C2Tx和Ta4C3Tx的形貌进行了系统的表征。利用密度泛函理论获得了它们的电子带结构，证明了它们的金属性质，并验证了它们在1 μm处的光学吸收。通过将它们作为波导激光腔内的可饱和吸收体，证明了它们对多吉赫兹脉冲激光发射具有诱人的光学调制特性。特别是，基于混合波导激光器结构实现了具有/不具有激光反射镜的高性能调q锁模激光器，提供了1 μm的激光脉冲，持续时间短至30 ps。研究结果显示了金属MXenes和波导结构在功能光子器件应用中的巨大潜力。

 
图1 (a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的制备过程示意图。

 
图2. 多层(a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的SEM图像。TBAOH插层后的Ti3C2Tx和Ta4C3Tx MXenes的HRTEM和SAED图像。(e) Ti3C2Tx(顶部)和标准Ti3AlC2光谱(底部)的XRD光谱。(f) Ta4C3Tx(顶部)和标准Ta4AlC3光谱(底部)的XRD图案。

 
图3 制备的(a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx薄膜的AFM图像和从AFM图像获得的少层Ti3C2Tx和(d) Ta4C3Tx MXenes的横截面高度剖面。

  
图4. (a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的晶体结构的顶部和侧面视图。 (c) 两层 Ti3C2Tx和(d) Ta4C3Tx的能带结构。

 
图5 (a) Ti3C2Tx和(b) Ta4C3Tx MXenes的NIR-MIR光谱。实验结果和理论拟合(c) Ti3C2Tx和(d) Ta4C3Tx的非线性吸收基于开放孔径z -扫描测量在1035 nm。

 
图6 用于引导特性表征和QML激光产生的典型端面耦合系统的说明。

 
图7 基于Ti3C2Tx SA的波导激光器性能研究。
      
图8 基于Ta4C3Tx SA的波导激光器性能研究。
 
       相关科研成果由山东大学晶体材料学院Feng Chen等人于2023年发表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04004)上。原文：Nanometer-Thin Stacks of MXenes (Ti3C2Tx and Ta4C3Tx) for Applications as Nonlinear Photonic Devices。

转自《石墨烯研究》公众号