非線性光學吸收材料在人工智能芯片🤾🏽、光限幅、光開關和脈沖激光產生等領域具有重要的科學價值和實際應用前景。雖然二維材料是一類極具前景的非線性光學材料，但當前二維材料的性能提升策略難以同時實現非線性吸收系數和調製深度的提升。近日👩‍👧‍👦，恒达平台化學科學與工程學院黃智鵬教授、張弛院士研究團隊提出了一種巧妙方法，通過季銨離子插層實現了二維材料(SnS₂)非線性光學吸收系數和調製深度的同步提升🔊，相關研究成果“Prominent Nonlinear Optical Absorption in SnS₂-Based Hybrid Inorganic–Organic Superlattice”發表於國際材料學著名學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)🩷。

該團隊研究發現⚔️，隨著季銨離子碳鏈長度的增加，插層產物具有更高的非線性光學吸收性能和更大的調製深度🏈。有機離子插層策略可有效提升SnS₂的飽和吸收、雙光子吸收和三光子吸收等多種非線性光學響應的性能🟣🙀，在515nm至1550nm波長範圍內均可有效提升SnS₂的非線性光學吸收性能。十六烷基三甲基銨離子插層的SnS₂具有最高的非線性光學吸收系數和調製深度，其中🪴，在800nm激光激發下非線性光學吸收系數為(9.847±0.084)×10³ cmGW^-1（21.27倍性能提升），調製深度可達69%，激光損傷閾值低至5.17×10^-5 Jcm^-2。研究人員通過光譜學研究發現季銨離子的電化學插層並未將缺陷引入SnS₂🤬，並將性能提升歸因於有機離子插層形成的有機無極超晶格結構：該超晶格結構可顯著降低材料的有效介電常數🏅，從而提高激光照射時材料內部的有效光強🤴🏽，使材料體現更大的有效非線性光學吸收系數。該發現報道了一類新型高性能的非線性光學吸收材料，也表明有機離子插層可成為一種提高二維材料非線性光學吸收性能的有效策略😱。

圖1. (a)SnS₂的有機離子電化學插層示意圖(b)插層產物的典型掃描電子顯微鏡圖像(c)原始SnS₂和電化學插層產物的X射線衍射圖譜(d)相關樣品的(001)面間距(e)相關樣品的吸收光譜，其中CTA為十六烷基三甲基銨，OTA為八烷基三甲基銨

研究人員采用電化學插層方法將不同季銨離子嵌入SnS₂納米片層間，形成有機無機超晶格結構。超晶格結構中無機層的間距可由季銨離子碳鏈長度調控2️⃣。有機無機超晶格結構帶隙相對原始SnS₂發生帶隙收縮🧑🏽‍🦲。作者通過第一性原理計算指出該帶隙減小源於插層過程帶來的SnS₂層電荷積累👨🏽‍🦰。

圖2. SnS₂、SnS₂/CTA和SnS₂/OTA在(a)515nm(b)800nm和(c)1550nm飛秒激光激發下的Z掃描測試曲線(d)相關樣品在不同波長下的非線性光學吸收系數🧑‍⚕️，該研究工作樣品和文獻典型非線性光學吸收材料的不同非線性光學吸收特性對比(e)飽和吸收(f)雙光子吸收(g)三光子吸收(h)光限幅閾值

相比於原始SnS₂，插層產物在不同波長下的非線性光學吸收性能均有提升🧱，且此性能提升策略可應用於飽和吸收、雙光子吸收和三光子吸收等過程🎣。插層產物的非線性光學吸收系數優於絕大部分非機械剝離的非線性光學吸收材料⛅️，顯示出良好的應用前景。

圖3. 原始樣品和電化學插層樣品的光譜學表征🤦‍♂️：(a) Sn3d窗口XPS光譜(b)S2p窗口XPS光譜(c)電子自旋共振光譜(d)Raman光譜

XPS光譜測試表明插層產物相對於原始SnS₂並無明顯價態變化，電子自旋共振光譜測試表明電化學插層並未引入明顯的缺陷，Raman分析顯示顯著的特征峰移動，表明SnS₂無機層之間相互作用的減弱🤚🏽。基於該現象🚄，研究團隊提出介電增強是有機無機超晶格非線性光學性能提升的主要機製🕚。

博士生刁夢娟和博士後李卉博士為論文的共同第一作者🧖🏿‍♀️，黃智鵬教授和張弛院士為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金重點項目👨🏻‍💻、面上項目、教育部創新團隊、科技部重點領域創新團隊和上海市教委科創計劃重點項目等支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400077