En grupp forskare från Tohoku University, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Rice University, Hanoi University of Science and Technology, Zhejiang University och Oak Ridge National Laboratory har föreslagit en ny mekanism för att förbättra kortvågigt ljus (100–300 nm) ) genom andra övertonsgenerering (SHG) i ett tvådimensionellt (2D), tunt material som helt består av vanliga element.
Eftersom UV-ljus med SHG spelar en viktig roll i halvledarlitografiutrustning och medicinska tillämpningar som inte använder fluorescerande material, har denna upptäckt viktiga implikationer för befintliga industrier och alla optiska tillämpningar.
Detaljer om forskningen publicerades i tidskriften ACS Nano den 29 augusti 2023. Studien valdes ut att visas på omslaget.
Janus Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) är en specifik klass av 2D-material, vanligtvis sammansatt av en övergångsmetall (som molybden eller volfram) inklämd mellan två kalkogenelement (som svavel, selen eller tellur). Uppkallad efter den romerska guden Janus, som hade två ansikten som tittade i motsatta riktningar, har Janus TMD inte inversionssymmetri mellan två ytor av tunt material. Denna inbyggda asymmetri gör Janus-TMD-material lämpliga för SHG, särskilt när de två TMD:erna är heterostackade.
SHG är en icke-linjär optisk process där två fotoner med samma frekvens (ω) interagerar olinjärt med materialet, och som ett resultat genereras en enstaka foton med två gånger frekvensen (2ω) (eller halv våglängd). I grund och botten är det ett fenomen där inkommande ljus omvandlas till ljus med dubbel frekvens eller halva våglängden.
SHG är viktigt i olika tillämpningar, inklusive laserteknik, mikroskopi, medicinsk vetenskap och fasta tillståndets fysik. SHG används för att generera ljus med kortare våglängder, vilket kan vara värdefullt inom områden som utrustning för halvledarlitografi och medicinska tillämpningar, såsom bildtekniker som inte använder fluorescerande material.
"Vårt team av forskare optimerade förhållanden för SHG i heterobillager av 2D Janus TMD-material", påpekar Nguyen Tuan Hung, biträdande professor vid Frontier Institute for Interdisciplinary Science (FRIS), Tohoku University. "Särskilt fann vi att AA-stapling, där atomer i det översta lagret direkt överlappar atomer i det nedre lagret, och AB-stapling, där atomer i det översta lagret inte direkt överlappar atomer i det nedre lagret, resulterade i en trefaldig förbättring av den förra i det olinjära optiska svaret hos SHG." Denna teoretiska förutsägelse stämde överens med det faktum att SHG-toppintensiteten är fyra gånger större för AA-stapling än för AB-stapling i experimentet.
"Därför har vi föreslagit att SHG-intensitet också är ett användbart sätt att bestämma hur skikten av 2D-material staplas", sa Nguyen. Dessutom föreslår forskarna att tillförsel av sidobelastning (upp till 20 %) till dessa material kan ytterligare öka ljusintensiteten avsevärt."
"Vår forskning introducerar en ny kategori av material som producerar SHG, och vi kan göra dem på ett flexibelt sätt med 2D-material", tillägger Nguyen.
Mer information: Nguyen Tuan Hung et al, Nolinar Optical Responses of Janus MoSSe/MoS2 Heterobilayers Optimized by Stacking Order and Strain, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04436
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Tohoku University
