深圳市二维材料孔雀团队
【ACS Nano】Ti3CN光学性质研究:从实验观察到理论计算

      MXene材料自2011年首次发现以来,受到越来越多科研工作者们的青睐。调研发现,目前大部分关于MXene的研究着眼于最早发现的Ti3C2这一材料,而对于其他种类MXene材料的研究相对较少。


       Ti3CN被认为是典型的异质MXene材料,其非金属部分的一半碳元素被氮元素取代,赋予了其独特的物化性质,例如优异的导电性和催化活性。尽管该材料在可循环电池、超级电容器以及可饱和吸收体已有初步应用,其非线性光学性质鲜有报道,限制了其在光电器件领域的发展。众所周知,材料的光学性质往往会对其各方面的应用,尤其是光电器件领域的探索产生较大的影响,深入理解结构与性能之间的关系将会对器件的构建起指导作用。


        有鉴于此,近日杭州师范大学的高凌锋副教授联合深圳大学张晗教授和乌普萨拉大学Hans Ågren教授在国际纳米科技著名期刊《ACS Nano》上发表题为“Optical Properties of Few-Layer Ti3CN MXene: From Experimental Observations to Theoretical Calculations”的研究性论文,通过瞬态吸收和Z-扫描技术分别对Ti3CN MXene的载流子动力学和宽带非线性光学响应进行探索,结合第一性原理计算,详细展示了其光学性质。



图1.少层Ti3CN MXene的形貌表征


图2.少层Ti3CN MXene的载流子动力学


       团队近两年在少层MXene材料方面积累了丰富的经验,例如总结了MXene/聚合物复合薄膜(Chem. Mater., 2020, 32, 1703-1747,ESI高被引)和首次提出异质MXene的概念(Adv. Mater., 2021, 33, 2004129),系统对比了Ti3C2和Ti3CN的非线性光学行为(Nanoscale, 2021, 13, 15891-15898),研究了少层Nb2C MXene的非线性光学行为(Small Methods, 2020, 4, 2000250),并以此指导基于Nb2C的飞秒锁模光纤激光器和光电探测器的构建(ACS Nano, 2021, 15, 954-965,ESI高被引;Mater. Today Phys., 2021, 21, 100479)以及拓展少层Nb2C在全光调制(Nanophotonics, 2021, 10, 2617-2623)和可饱和吸收体(Opt. Laser Technol., 2021, 142, 107199)方面的应用等。


       在本项工作中,作者采用氢氟酸刻蚀和小分子插层的手段制备出具有高质量的少层Ti3CN MXene,并用瞬态光谱和Z扫描技术系统研究其光学性质,最后通过第一性原理计算验证了其载流子动力学和非线性光学响应行为。结果显示,该少层Ti3CN MXene具有超快弛豫时间,其非线性光学行为可随波长的变化而调节,将在光电器件领域展现出巨大的应用前景。

图3.少层Ti3CN MXene的第一性原理计算

图4.不同波长下少层Ti3CN MXene的非线性光学行为


       本论文的第一作者是杭州师范大学高凌锋副教授、深圳大学陈华龙博士和乌普萨拉大学Artem V. Kuklin博士,杭州师范大学高凌锋副教授、深圳大学张晗教授以及乌普萨拉大学Hans Ågren教授为共同通讯作者,杭州师范大学为第一完成单位。


        该工作得到了国家自然科学基金项目(62005177, 61875138, 61961136001)、杭州师范大学启动经费(2021QDL036)、广东省教育部重点项目(2018KCXTD026)河南省优秀海外科学家研究中心项目(GZS2020011)等项目的支持。


【文章链接】

Optical Properties of Few-Layer Ti3CN MXene: From Experimental Observations to Theoretical Calculations

Lingfeng Gao*, Hualong Chen, Artem V. Kuklin, Swelm Wageh, Ahmed A. Al-Ghamdi, Hans Ågren*, and Han Zhang*

ACS Nano, 2022-01-20

DOI: 10.1021/acsnano.1c10577