全对称的空间自相位调制以及固态CrPS4/PDMS复合材料中的全光开关效应

《Optics & Laser Technology》：Fully-symmetric spatial self-phase modulation and all-optical switching in a solid-state CrPS4/PDMS composite

CrPS4的第三阶非线性光学特性研究及PDMS复合材料的制备应用。摘要通过悬浮系统和固态复合方法，发现CrPS4在可见光区具有高非线性极化率，并成功解决悬浮态光栅变形问题，实现双光束全光开关。

　　

宋静琳|刘若宇|刘秀梅|金帅同|刘颖|徐晓丹|黄一轩|孙鑫|王新波|李俊|赵 Jimin|吴彦玲

中国燕山大学理学院，亚稳态材料科学与技术国家重点实验室及河北微结构材料物理重点实验室，秦皇岛 066004

摘要

基于二维（2D）材料的全光器件通过空间自相位调制（SSPM）得到了广泛研究。然而，它们的实际应用仍然具有挑战性，这不仅受到优质非线性材料发现的限制，还受到SSPM实验中传统使用悬浮样品方法的制约。在本研究中，我们探讨了CrPS₄这种二维范德华磁性材料的三阶非线性光学响应。在多个波长下（532 nm时为2.13 × 10^?8 e.s.u.），我们获得了CrPS₄较大的有效单层三阶非线性易感性值。值得注意的是，悬浮系统中的SSPM环出现了明显的变形，这阻碍了器件的应用。为了解决这个问题，我们成功地将CrPS₄粉末与聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合制备了固态复合材料，在这种复合材料中实现了完全对称的SSPM环且没有变形。此外，我们还基于CrPS₄/PDMS复合材料设计并展示了一种双色全光开关。这项工作推进了二维材料在非线性光子学中的潜在应用，特别是在基于SSPM的全光器件方面。

引言

作为全光网络的基本构建模块，全光器件能够直接处理和调制光信号，从而克服了传统光电光转换系统固有的“电子瓶颈”限制[1]、[2]、[3]。然而，它们的实际应用仍受到各种性能要求的限制，包括高非线性、长期稳定性、低光损耗等[1]、[2]、[3]。空间自相位调制（SSPM）是一种由光学克尔效应[4]、[5]引起的相干三阶非线性光学效应，该效应源于激光诱导的电子/空穴相干[6]、[7]。通过调节SSPM中的载流子相干性，首次在二维（2D）过渡金属硫属化合物（TMCs）MoS₂中设计并展示了双色全光开关[6]。由于2D材料具有可调的电子能带结构和强的光-物质相互作用，它们成为下一代全光器件的有希望的候选材料[8]、[9]、[10]、[11]。许多基于2D材料的全光器件都是通过SSPM开发的[12]。例如，在少层铋烯[13]、黑/紫磷[14]、钙钛矿（PPA）₃BiI₆[15]和MoP[16]中实现了全光开关。在Graphdiyne/SnS₂[17]、InSe/C₃N₄[18]和NiTe₂/hBN[19]等系统中实现了全光二极管。基于1D@0D Te@Bi量子点[20]、硼纳米片[21]和Ag-VP[22]也设计了光逻辑门。还设计了一种集成且可重构的全光逻辑门，能够在单一配置中实现九种基本的布尔逻辑[23]。基于SSPM的全光器件具有许多优点，如结构简单、宽带功能、弱控制强效应、级联操作以及可在室温下工作。 尽管在全光器件方面取得了丰硕的成果，但基于2D材料和SSPM的实际应用仍然具有挑战性。一方面，需要探索具有优异三阶光学非线性的新材料[1]、[2]、[3]、[8]、[9]、[10]，即表现出强烈的SSPM效应。SSPM已被广泛用于表征各种2D层状材料的三阶非线性光学易感性（$\chi$ (3)），包括石墨烯[5]、TMCs[6]、MXenes[24]、磷同素异形体[14]等[25]。另一方面，SSPM实验中传统使用的悬浮样品方法由于不稳定性而限制了进一步的应用，这阻碍了实际制造和集成[25]。此外，悬浮液中产生的SSPM衍射环会因热对流效应而发生变形，从而影响器件性能[5]。为此，提出了垂直入射几何结构以避免这种变形[26]。2019年，吴等人基于Graphdiyne/SnS₂-聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜设计并实现了一种非线性光子二极管[17]。有必要进一步探索固态配置下的SSPM现象，以提高实际器件的稳定性和功能性能。 三元TMCs因其独特的磁性和半导体特性组合而受到广泛关注[27]、[28]。其中，铬硫磷酸盐（CrPS₄）是一种二维范德华（vdW）反铁磁材料，具有优异的机械、光学、磁性和电子特性[29]、[30]、[31]、[32]。CrPS₄的直接带隙结构（1.3 eV）[31]、亚铁磁转变特性[29]以及优异的空气稳定性使其成为光电子学、非线性光学和自旋电子学应用的有希望的候选材料[29]、[30]、[31]、[32]。姚等人基于双层CrPS₄制备了一种双栅晶体管，可以切换自旋极化[32]。在vdW异质结构（如MoS₂/CrPS₄）中观察到了磁相依赖的自发非线性光电流[33]。CrPS₄还展示了厚度依赖的、宽带的和偏振依赖的非线性光学响应，这支持其在超快光子学应用中的发展[35]、[36]、[37]。CrPS₄中半导体行为和可调磁性的独特组合为探索2D磁性、磁光器件和磁控非线性光学器件提供了一个迷人的平台。然而，CrPS₄在宽光谱范围内的三阶非线性光学特性研究仍然很少。基于SSPM的CrPS₄全光应用研究仍然明显不足。 在这项工作中，我们通过SSPM研究了CrPS₄薄片在N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）悬浮液中的三阶非线性光学特性。在可见光范围内获得了CrPS₄的有效单层三阶非线性易感性值。通过将CrPS₄粉末与聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合，我们制备了固态复合材料，并在其中实现了稳定且完全对称的SSPM效应。基于这种CrPS₄/PDMS复合材料，我们设计并实现了全光开关，展示了其在全光信息处理应用中的潜力。这项研究为2D磁性材料在全光和磁光器件中的应用提供了新的途径。

CrPS₄薄片悬浮液的制备

CrPS₄粉末是从深圳Sixcarbon Technology购买的。用于SSPM实验的CrPS₄薄片是通过液相剥离法制备的。图1(a)展示了CrPS₄薄片悬浮液的制备过程，包括研磨、超声处理、离心和上清液收集。首先使用球磨机研磨CrPS₄粉末。然后将细磨的粉末（10 mg）加入溶剂（20 mL）NMP中。

CrPS₄的三阶非线性光学易感性

我们系统地研究了CrPS₄薄片悬浮液在多个波长下的强度依赖性SSPM现象。图3(a)显示了在405 nm到721 nm波长范围内，随着激光入射强度的增加，SSPM环图案的变化。只有当入射光强度超过某个阈值（I_th）时才能观察到SSPM。超过这个阈值后，SSPM环的数量和直径会随着强度的增加而逐渐增加。我们定量分析了...

结论

总之，我们系统地研究了CrPS₄薄片在405 nm到721 nm波长范围内的三阶非线性光学特性。在多个波长下获得了CrPS₄的有效单层三阶非线性易感性值，这些值比大多数TMCs的高一个数量级。随着激发能量的增加，非线性响应时间减少。在CrPS₄/NMP悬浮液中观察到了SSPM环的变形。

CRediT作者贡献声明

宋静琳：撰写——原始草案、可视化、研究、形式分析、数据管理。 刘若宇：可视化、研究、形式分析、数据管理。 刘秀梅：可视化、研究、形式分析。 金帅同：研究、形式分析。 刘颖：方法论、研究。 徐晓丹：验证、研究、资金获取。 黄一轩：验证、方法论。 孙鑫：研究、形式分析。 王新波：研究、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：12204400、12534006、12504394）、国家重点研发计划（项目编号：2024YFA1408700、2021YFA1400201）、北京凝聚态物理国家实验室（项目编号：2024BNLCMPKF020）、河北省自然科学基金（项目编号：A2024203011）和河北省创新能力提升项目（项目编号：22567605H）的支持。