北理工團(tuán)隊(duì)在納米結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)領(lǐng)域取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-07-14 供稿：前沿交叉科學(xué)院 黃元 攝影：前沿交叉科學(xué)院
編輯：朱倩云 審核：鄭德智 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在納米結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Artificially Engineered Nonlinear Circular Dichroism with Chiral Nanoscrolling of 2D Materials”為題在國際頂級期刊《Nano Letters》發(fā)表（DOI:10.1021/acs.nanolett.5c01780）。這一研究成果首次在MoS2納米卷中實(shí)現(xiàn)手性非線性光學(xué)效應(yīng)，在緊湊的非線性光源和調(diào)制器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，預(yù)示著先進(jìn)光子應(yīng)用的新時(shí)代。北京理工大學(xué)集成電路學(xué)院王業(yè)亮教授，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃元教授，戴贇贇教授，信陽師范學(xué)院物理電子工程學(xué)院葛力新教授為本論文共同通訊作者，博士研究生薛統(tǒng)統(tǒng)為第一作者。
圖1 MoS2納米卷的結(jié)構(gòu)
在線性光學(xué)中，圓二色性(Circular Dichroism，簡稱CD)是指手性材料對左旋圓偏振光（LCP）和右旋圓偏振光（RCP）吸收強(qiáng)度具有差異。該現(xiàn)象常用于生物分子的手性結(jié)構(gòu)探測，納米光學(xué)功能器件等領(lǐng)域。在非線性光學(xué)過程中（比如 SHG、三次諧波 THG 等），如果手性材料對左旋和右旋圓偏振光的非線性響應(yīng)（如 SHG 信號強(qiáng)度）不同，就表現(xiàn)出非線性圓二色性（SHG-CD）。
圖2 MoS2納米卷的SHG和非線性光學(xué)手性
圖3 MoS2納米卷的SHG-CD
圖4 MoS2納米卷的非線性CD的人工工程
該研究基于二維過渡金屬硫化物（TMDs）的納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了非線性SHG-CD的增強(qiáng)與調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單層TMDs卷曲成一維的納米卷后，非線性二次諧波SHG的圓二色性實(shí)現(xiàn)了明顯增強(qiáng), CD值高達(dá)0.8。
圖5 Mie共振誘導(dǎo)MoS2納米卷的SHG增強(qiáng)
研究團(tuán)隊(duì)在MoS2納米卷中觀察到了強(qiáng)烈的SHG-CD，這歸因于其對稱性和手性的降低。與雙層扭曲的二維材料系統(tǒng)相比， MoS2納米卷的結(jié)構(gòu)手性產(chǎn)生了更明顯的SHG-CD。該研究了全面分析了卷軸對SHG-CD的影響，揭示了納米卷在不同手性角度下的不同SHG強(qiáng)度。這種一維TMD手性平臺有望在緊湊的手性依賴光源中實(shí)現(xiàn)新功能，有望徹底改變非線性光學(xué)領(lǐng)域的操縱。
此外，由于結(jié)構(gòu)中的Mie共振散射，納米結(jié)構(gòu)中的局域電磁場可將SHG強(qiáng)度提升至單層材料的100倍。
綜上所述，該工作研究了MoS2納米卷的非線性光學(xué)特性。通過改變納米卷的手性角度實(shí)現(xiàn)了SHG-CD的可調(diào)性，并通過Mie共振理論對納米卷SHG的增強(qiáng)效應(yīng)做出了解釋。該研究對非線性CD的發(fā)現(xiàn)有望擴(kuò)展到由其他2D材料組成的納米卷體系，使這些材料有望在非線性光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多的應(yīng)用，拓寬了先進(jìn)光子器件和系統(tǒng)的發(fā)展前景。
論文詳情：TongtongXue, XuHan, XiangyuLiu, JinghanZhao, JiahaoYan, YingshanMa, NingyiCai, XinyueWang, ShishengLi, LixinGe,* ZhipeiSun, YuanHuang*, YunyunDai*,and YeliangWang*，Nano Lett., 25, 8399 (2025).
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01780
附作者簡介：
王業(yè)亮，北京理工大學(xué)教授，國家級領(lǐng)軍人才。近年發(fā)展新型外延生長技術(shù)，針對大功率器件與材料、低功耗超高密度信息存儲等領(lǐng)域的瓶頸，開發(fā)基于新原理的新工藝，在原子尺度上針對新型電子材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、性能測量和調(diào)控、器件設(shè)計(jì)和性能測試、以及應(yīng)用等方面發(fā)展技術(shù)和開展研究。主要研究成果包括在Nature, Nature Materials, Nature Commun., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano等期刊發(fā)表論文300余篇，英文書籍5個章節(jié)，被引14000余次，其中單篇最高他引1000多次，曾入選“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”。多項(xiàng)工作被Nature及其子刊作為研究亮點(diǎn)報(bào)道，獲得國際重要學(xué)術(shù)會議30多次邀請報(bào)告。
黃元，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，國家級青年人次，北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者，中國科學(xué)院青促會數(shù)理分會理事，中國科協(xié)“中國十大科技新銳人物”。曾獲中國電子學(xué)會自然科學(xué)二等獎、中國發(fā)現(xiàn)協(xié)會二等獎、日內(nèi)瓦國際發(fā)明博覽會銀獎（排名第一）等榮譽(yù)。主要研究領(lǐng)域集中在二維材料制備，表征，物性測量/調(diào)控，以及相關(guān)交叉科學(xué)等研究方向。以第一/通訊作者在Nature Physics, Nature Communications, Physical Review Letters, ACS Nano, Nano Letters, Advanced Materials等共計(jì)發(fā)表SCI論文170余篇，其中第一作者（含共一）及通訊作者文章70余篇，論文總引用9400余次。
戴贇贇，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，國家級青年人才，主要研究領(lǐng)域集中在新型半導(dǎo)體與納米器件的制備、表征以及光電性質(zhì)等新奇物性研究。共發(fā)表文章40余篇，成果發(fā)表在國際頂級期刊（如Nature Photonics, Advanced Materials, ACS Nano等），論文總引用3400余次。
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