深圳市二维材料孔雀团队
【J. Mater. Chem. C】快速的溶液法制备六边形碲纳米片并用于光电和超快光子学应用

       澳门科技大学李建庆教授团队以及深圳大学郭志男和肖全兰教授团队在《Journal of Materials Chemistry C》期刊上发表题为Fast solution method to prepare hexagonal tellurium nanosheets for optoelectronic and ultrafast photonic applications的研究论文。


       该成果首次提出了一种快速的合成大面积高质量六边形Te纳米片的方法。在表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作用下,原材料氢化碲钠(NaHTe)在乙醇溶液中被O2迅速氧化,得到尺寸为5-11μm,厚度为50-170 nm的六边形碲纳米片。此外,制备的六边形碲纳米片具有良好的光吸收性,并作为光电化学(PEC)型光电探测器中的光阳极材料具有良好的光响应和稳定性。同时,该材料还表现出优异的非线性吸收特性,掺有碲纳米片作为饱和吸收材料的掺铒光纤环形激光器成功地在1550 nm处实现了锁模操作。这项工作为六角形碲纳米片的制备及其在光电和超快光子学中的应用提供了新思路。


1 六边形碲纳米片的制备流程图



       在六边形Te纳米片的制备过程中,将NaHTe水溶液直接注射到PVP的乙醇溶液中,在表面活性剂PVP作用下,NaHTe直接被O2氧化形成六边形Te纳米片(1)

2 (a) NaHTe水溶液和Te乙醇溶液的光学照片; (b) 六边形Te纳米片的OM图像; (c) 六边形Te纳米片的尺寸统计分布图; (d) 六边形Te纳米片的TEM图像; (e) 六边形Te纳米片的HRTEM图像; (f) 六边形Te纳米片的AFM图像

       通过对制备的六边形Te纳米片进行TEMAFM表征并进行统计学分析,得到其横向尺寸范围约为5-11 μm,加权平均尺寸约为7.4 μm;厚度分布范围为50-170 nm,加权平均厚度约为79 nm


3 (a) 六边形Te纳米片的拉曼光谱;六方Te纳米片的XPS: (b) Te 3d, (c) C 1s, (d) N 1s; (e) 六边形Te纳米片和 (f) PVPFTIR光谱

       HRTEM、拉曼光谱、XPS以及FTIR光谱表征显示制备得到了具有良好结晶性和大尺寸的六边形Te纳米片,并且在制备的六边形Te纳米片表面存在少量的PVP。另外,表征发现表面活性剂PVP在六边形Te纳米片合成过程中至关重要,可以限制其一维生长的趋势,从而在NaHTe氧化过程中形成六边形Te纳米片。此外,反应温度和NaHTePVP的添加量也会影响了Te的生长速率、尺寸和质量,并且得到制备高质量Te纳米片的最佳反应温度为50℃,最佳NaHTe用量为0.3 mL,最佳PVP用量为620 mg。此外,当反应时间超过7 min时,六方Te纳米片的尺寸不会随着反应时间的延长而增加。

4 模拟光照射下六边形Te纳米片在0.1 M KOH电解液下的光响应。(a) 光电流密度(Iph)和时间在不同电压(0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.50.6 V)和不同光功率强度(I, II, III, IVVI)的开/关转换,开/时间间隔是5 s(b) Iph和时间在不同的电压下和VI固定光功率强度下的开/关转换;(c) Iph和外加电压以及Pλ的函数;(d) Rph和施加电压以及Pλ的函数

       使用典型的光电化学(PEC)系统评估六边形Te纳米片的光响应。在恒定的光强度(IV级)下,Iph随偏置电压急剧增加。随着偏置电压从0 V增加到0.6 VIph2.63×10-3增加到1.97×10-1 μAcm-2。另外,在0.6 V的偏压下,Iph与从I级到VI级的光强度几乎成线性比例。六角形Te纳米片的光响应度也随偏压和光功率强度的增加而增加。在0.6 V的偏置电压和光强度VI下,Rph的值为1.69 μAW-1,表明六角形Te纳米片具有良好的光响应性能。计算得到六边形Te纳米片具有比较高的探测率(109 Jones)。另外,经过100次开/关循环后,光电流强度几乎不会降低,表明光检测器具有良好的时间和化学稳定性。


5 (a) 六边形Te纳米片的微光纤饱和吸收体锁模掺铒光纤环形激光器流程图。PC: 偏振控制器; EDF: 掺铒光纤作为增益介质; WDM:波分多路复用器; OC:光耦合器; SMF:单模光纤。(b) 频谱,(c)脉冲序列,(d)射频频谱,(e) 基于六边形Te纳米片的锁模光纤激光器的脉冲持续时间

       制备的六边形Te纳米片用作掺铒光纤环形激光器中的可饱和吸收材料用于被动锁模。锁模脉冲的光谱显示出1558.50 nm的峰值波长和3.27 nm3 dB光谱带宽。光谱的两侧都出现了明显的光谱边带,这是激光腔中光孤子形成的典型特征。相应的脉冲序列显示,两个相邻脉冲之间的时间间隔为113.7 ns,它与光纤激光器的腔长(22.8 m)相匹配,确认脉冲是由锁模机制产生的。孤子脉冲的射频(RF)频谱显示六边形Te纳米片的基频为8.79 MHz,与113.7 ns的脉冲间隔一致。此外,获得了64 dB高的峰-背景比。通过将其与sech2曲线拟合,相应的脉冲持续时间估计为1.39 ps,时间带宽积(TBP)约为0.561,表明锁模激光器可以产生几乎变换受限的脉冲。


       该论文共同第一作者是澳门科技大学胡海国博士、深圳大学曾永宏博士,通讯作者为澳门科技大学李建庆教授、深圳大学郭志男教授和肖全兰教授。

【文章链接】

Fast solution method to prepare hexagonal tellurium nanosheets for optoelectronic and ultrafast photonic applications

Haiguo Hu, Yonghong Zeng, Shan Gao, Rui Wang, Jinlai Zhao, Kaixi You, Yufeng Song, Quanlan Xiao, Rui Cao, Jianqing Li, Zhitao Lin, Jia Guo, Yiqing Shu, Zhinan Guo and Dianyuan Fan

J. Mater. Chem. C, 2021,9, 508-516

DOI: 10.1039/D0TA00416B

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/tc/d0tc04106h#!divAbstract