Een groep onderzoekers van Tohoku University, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Rice University, Hanoi University of Science and Technology, Zhejiang University en Oak Ridge National Laboratory hebben een nieuw mechanisme voorgesteld om licht met een korte golflengte (100-300 nm) te verbeteren. ) door tweede harmonische generatie (SHG) in een tweedimensionaal (2D), dun materiaal dat volledig uit alledaagse elementen bestaat.

Omdat UV-licht met SHG een belangrijke rol speelt in halfgeleiderlithografische apparatuur en medische toepassingen die geen gebruik maken van fluorescerende materialen, heeft deze ontdekking belangrijke implicaties voor bestaande industrieën en alle optische toepassingen.

Details van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano op 29 augustus 2023. Het onderzoek werd geselecteerd om op de omslag te verschijnen.

Janus Transition Metal Dichalcogeniden (TMD's) zijn een specifieke klasse van 2D-materialen, meestal samengesteld uit een overgangsmetaal (zoals molybdeen of wolfraam) ingeklemd tussen twee chalcogeenelementen (zoals zwavel, selenium of tellurium). Vernoemd naar de Romeinse god Janus, die twee gezichten had die in tegengestelde richtingen keken, hebben Janus TMD's geen inversiesymmetrie tussen twee oppervlakken van dun materiaal. Deze ingebouwde asymmetrie maakt Janus-TMD-materialen geschikt voor SHG, vooral wanneer de twee TMD's hetero-gestapeld zijn.

SHG is een niet-lineair optisch proces waarbij twee fotonen met dezelfde frequentie (ω) niet-lineair interageren met het materiaal, en als resultaat wordt een enkel foton met tweemaal de frequentie (2ω) (of halve golflengte) gegenereerd. In principe is het een fenomeen waarbij binnenkomend licht wordt omgezet in licht met een dubbele frequentie of halve golflengte.

SHG is belangrijk in verschillende toepassingen, waaronder lasertechnologie, microscopie, medische wetenschap en vastestoffysica. SHG wordt gebruikt om licht met kortere golflengten te genereren, wat waardevol kan zijn op gebieden als halfgeleiderlithografieapparatuur en medische toepassingen, zoals beeldvormingstechnieken die geen gebruik maken van fluorescerende materialen.

"Ons team van onderzoekers optimaliseerde de omstandigheden van SHG in heterobilagen van de 2D Janus TMD-materialen", zegt Nguyen Tuan Hung, assistent-professor aan het Frontier Institute for Interdisciplinaire Science (FRIS), Tohoku University. "Concreet ontdekten we dat AA-stapeling, waarbij atomen in de bovenste laag atomen in de onderste laag direct overlappen, en AB-stapeling, waarbij atomen in de bovenste laag atomen in de onderste laag niet direct overlappen, resulteerden in een drievoudige verbetering van de eerste in de niet-lineaire optische respons van de SHG." Deze theoretische voorspelling kwam overeen met het feit dat de SHG-piekintensiteit vier keer groter is voor AA-stapeling dan voor AB-stapeling in het experiment.

"We hebben dus gesuggereerd dat de SHG-intensiteit ook een nuttige manier is om te bepalen hoe de lagen van 2D-materialen zijn gestapeld", zegt Nguyen. Bovendien suggereren de onderzoekers dat het toevoegen van laterale spanning (tot 20%) aan deze materialen de lichtintensiteit nog aanzienlijk kan verhogen."

"Ons onderzoek introduceert een nieuwe categorie materialen die SHG produceren, en we kunnen ze op een flexibele manier maken met behulp van 2D-materialen", voegt Nguyen toe.

Meer informatie: Nguyen Tuan Hung et al., Niet-lineaire optische reacties van Janus MoSSe/MoS2 heterobilagen geoptimaliseerd door stapelvolgorde en spanning, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04436

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Tohoku Universiteit