刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

纳米人编辑部对2020年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理,今天,我们要介绍的是中国科学院院士,发展中国家科学院院士,英国物理学会会士,英国皇家化学会会士,北京大学化学与分子工程学院刘忠范院士。

纳米人编辑部对2020年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理,今天,我们要介绍的是中国科学院院士,发展中国家科学院院士,英国物理学会会士,英国皇家化学会会士,北京大学化学与分子工程学院刘忠范院士

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

主要从事石墨烯等纳米碳材料研究,在石墨烯、碳纳米管的化学气相沉积生长方法研究领域做出了一系列开拓性和引领性的工作,是国际著名石墨烯专家,现任“物理化学学报”主编、“科学通报”副主编。

下面,我们简要总结了刘忠范院士课题组2020年研究成果,供大家交流学习。

1)由于相关论文数量较多,本文仅限于作为通讯作者的论文(不包括序言、短篇评述等),以online时间为准。如有遗漏,欢迎留言补充。

2)由于学术水平有限,所选文章及其表述如有不当,敬请批评指正。

3)由于篇幅限制,部分成果未列入编号,仅以发表截图展示。

以下篇幅分为4个方面展开:

Part Ⅰ 储能电池材料与器件

Part Ⅱ 石墨烯的制备

Part Ⅲ 石墨烯的应用

Part Ⅳ 其他领域

Part Ⅰ 储能电池材料与器件

1. AEM:具有高安全性和长寿命的柔性凝胶聚合物锂离子电池

随着柔性电子技术的发展,柔性锂离子电池(LIB)受到了极大的关注。几乎所有以前文献报道的柔性器件都具有较差的机械柔性,较低的能量密度和较差的安全性的缺点。为了应对以挑战,北京大学的刘忠范、北京石墨烯研究所的Wei Shen和Di Wei等人展示了一种能够完全弯折的柔性锂离子电池,该电池使用LiCoO2作为正极,Li4Ti5O12作为负极,石墨烯薄膜作为柔性集流体。这项工作可能会为下一代高性能柔性电子产品带来希望。

本文要点:

1)由石墨烯薄膜制成的柔性LIB在超过10万次机械弯曲后表现出卓越的稳定性能,而没有容量损失。同时高柔韧性的石墨烯薄膜可以弯曲数万次而不会发生塑性变形。

2)在剧烈弯曲条件下,活性层与石墨烯膜之间的强粘附力有效地抑制了活性层的分层。独立的石墨烯薄膜使电池厚度减少,并且质量能量密度和功率密度均比使用金属箔集流体提高了约1.4倍。

3)此外,GO‐GPE表现出对液体电解质的超强吸附性,宽的电化学窗口以及出色的热稳定性和电化学稳定性。与商业的隔膜相比,它还具有更高的离子电导率和更高的锂离子迁移速率。

4)柔性石墨烯电池具有超强的电化学性能,输出电压稳定在2.3 V,在1 C时具有143.0 mAh g-1的优异容量。即使在剪切状态下,这种柔性凝胶聚合物电池仍可以表现出稳定和安全的电化学性能。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Wei Shen, et al., Highly‐Safe and Ultra‐Stable All‐Flexible Gel Polymer Lithium Ion Batteries Aiming for Scalable Applications, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.201904281

https://doi.org/10.1002/aenm.201904281

2. EES:太阳光照一照,超电容性能提高!

超级电容器是一种常见的储能器件,具有功率密度高、循环寿命长和充放电速率快等优点。但是与其他储能器件如电池一样,超级电容器常常在较低的温度下表现出较低的性能,有时甚至会无法工作。因此,研究一种妥善解决上述问题的环保可持续并且造价低的途径具有十分重要的意义。

石墨烯因为具有宽的光吸收范围、低的比热容、高的热导率等性质而被认为是非常有潜力的光热材料。特别地,三维石墨烯可以为光热转换提供足够多的光热接触面积。同时,三维石墨烯的多孔自支撑结构还可以有效避免石墨烯片层间再堆叠以及给离子传输提供便捷通道,因而石墨烯也是非常有应用潜力的储能器件材料。

有鉴于此,北京大学刘忠范院士和北京石墨烯研究院魏迪研究员课题组基于石墨烯的光热效应,利用太阳光使超级电容器的电容、能量密度和功率密度得到大幅提升。

本文要点:

1)在太阳光照下,由于光热效应,超级电容器的温度增加进而电容增大。超级电容器采用全光谱高光吸收率和高热导率的三维多级结构石墨烯作为电极,该石墨烯在整个器件的光热转换过程中起着重要的关键作用:首先,石墨烯的特殊电子结构使得其可以吸收任何波段的光,并且所吸收的光的能量主要转化为热能;其次,在三维多级结构石墨烯自支撑骨架表面的石墨烯纳米片拓展了入射光相互作用的长度并且降低了光的反射,因而大大促进了光的吸收。

2)通过理论模拟分析,发现对于赝电容型超级电容器,其电容增加的主要因素为光照下温度升高后法拉第反应速率常数的增加、电极和电解质电导率的增加、以及双电层电容组分的增加;对于双电层型超级电容器,其电容增加的主要因素为电解质介电常数的增加。需要注意的是,电化学动力学过程是极其复杂的而且各种参数互相关联,不同电化学体系中对电容随温度而变化起作用的因素可能会有差别,因而在实际应用过程中,应对所研究的具体电化学体系进行具体分析。

3)为了进一步验证超级电容器光照下电容的增加是由于光热效应所引发的,对超级电容器加热到不同温度时的电化学性能进行了表征。实验发现超级电容器加热到某个温度时的电化学性能与对应光照下相同光热平衡温度时的电化学性能相似,这进一步证明了所提出的机理。另外,实验还发现当加热或者光照超级电容器到同一温度的时候,超级电容器在加热时电容的增加量,以及等效串联电阻、离子电阻和库伦效率的减少量都要大于光照时。这可能是因为光照时超级电容器的实际平均温度小于加热时:光照时超级电容器可能在沿上下表面以及沿中心边缘都存在温度的轻微下降。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Fang Yi, et al, Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors, Energy Environ. Sci., 2018,11, 2016-2024

DOI:10.1039/C8EE01244J

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01244j/unauth#!divAbstract

3. AM:用于Li-S电池的高效V8C7-VO2双功能支架的三维打印

锂硫(Li-S)电池因其成本低、能量密度高而引起了人们的极大兴趣。然而,严重的多硫化物的穿梭效应和锂枝晶不可控生长都极大地阻碍了Li-S电池的商业化进程。近年来,用来同时调控多硫化物行为和抑制锂枝晶生长的合理方法得到了迅速发展。然而,高性能锂硫电池的主要障碍仍然在于有限的双功能材料候选材料,以及缺乏有效可定制设备的先进技术。近年来,3D打印(3DP)技术的蓬勃发展,极大地促进了储能和生物医学电子领域的设备创新。

有鉴于此,北京大学刘忠范院士,苏州大学孙靖宇教授报道了一种“二合一”的策略,通过3DP技术来制备V8C7-VO2异质结构支架,作为高性能Li-S电池的双效多硫化物固定剂和锂枝晶抑制剂。

本文要点:

1)研究人员从NH4VO3,葡萄糖和尿素前体开始,通过将简单的退火工艺与水热反应相结合,成功生产出V8C7–VO2纳米花。所获得的材料作为关键的3DP油墨配方。接下来,利用硫胺化学路线,将硫纳米颗粒负载到V8C7–VO2上,形成V8C7–VO2/S。在整个基于挤压的3DP策略中,可以以便捷,可控制和可扩展的方式精确地构建各种形状的定制架构。

2)基于该策略设计的V8C7-VO2极性和导电异质结构能够提供很强的捕获性和多硫化物的快速转化。此外,这种具有亲锂性质的异质结构将诱导Li的均匀生长,从而有效地降低成核过电势,抑制枝晶的形成。

3)得益于3DP-V8C7-VO2支架的大孔体积、高电导率和畅通的离子传输路径,所研制的3DP-V8C7-VO2/S电极具有优异的倍率性能(6.0 C 下的容量达到643.5 mAh g−1),良好的循环稳定性(4 C下,经过900次循环后,每循环的容量损失仅为0.061%)。令人激动的是,与两个3DP主机集成的Li-S电池在高硫负荷下实现了高面积容量(7.36mAh cm−2,硫负荷为9.2 mg cm−2,CE超过99.7%)。此外,将3DP-V8C7-VO2/S||3DP-V8C7-VO2@Li直接用作手环电池时,可以成功为电子手环表供电,从而为可穿戴能源应用带来了无限希望。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Jingsheng Cai, et al, 3D Printing of a V8C7-VO2 Bifunctional Scaffold as an Effective Polysulfide Immobilizer and Lithium Stabilizer for Li–S Batteries, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202005967

https://doi.org/10.1002/adma.202005967

4. Nano Lett.:借助层次结构石墨烯定量分析锂离子电池集流体的界面性能

锂离子电池(LIB)彻底改变了消费电子产品和电动汽车,并正在通往未来智能电网的道路。面临的艰难的过程包括完善电极材料、电解质配方单组分水平和制造工艺的改进,使LIB的安全性和能量密度更高。然而,在这一艰难的过程中,LIB的基本结构基本保持不变,即由正极、负极、电解质、隔膜和集流体(CC)等组成。其中,集流体可机械支撑电极材料(EM)和电桥内部电化学和外部电路是LIB中必不可少的角色。集流体的候选材料应同时满足以下标准:良好的导电性,牢固的化学和电化学稳定性,便宜且易于获得,重量轻。根据这样的要求标准,用于正极和负极的商业集流体几乎分别限于铝箔和铜箔。但是,存在固有的缺陷,这些缺陷源于介观电极的配置。一方面,为了获得适当的能量密度和最小化副反应,活性材料通常为微米级。另一方面,微米级活性材料与裸露的铝箔的界面接触有限,电极构造因此陷入困境。因此,由于粘附性差,EM易于从裸集电器上分层,并且由于有限的电通道,在集电器/EM界面处存在较大的界面电阻。由于铝箔上存在天然的电绝缘氧化铝层,这个问题在正极/铝箔界面上尤为突出。界面电阻会损害LIB的功率性能(如快速充电和大功率放电)。因此,对于改善LIB,重新研究介观电极配置(着重于集电器的界面特性)具有重要意义。

近日,北京大学刘忠范和彭海琳等人通过在商业铝箔CC上直接生长分层的石墨烯薄膜,建立了CC和电极材料之间的模型界面,并对其中的界面性质进行了系统的定量研究。结果表明界面电阻占主导地位,即比电极材料高两个数量级,可以通过分层的石墨烯夹层消除界面电阻。CC上的阴极具有消除的界面电阻,可以提供大大提高的功率密度输出。工作量化了影响电池性能的介观因素,并提供了提高LIB性能的实用指南。

本文要点:

1)建立了一个模型系统来定量研究集流体的界面特性,集流体和电极材料之间的界面电阻实际上支配了整个电极电阻。直接在Al集流体上生长的分层石墨烯可以用作集电器和电极材料之间的强大中间层,实际上可以极好地消除界面电阻。电化学方面,它相应地可以提升能量密度和功率密度的输出。同时,可以减少无源集流体的占地面积,从而提高封装的LIB的可用能量密度用于新兴的超厚电极设计。

2)量化了影响电池性能的介观因素,并提供了提高LIB性能的实用指南

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Mingzhan Wang et al,. Quantitative Analyses of the Interfacial Properties of Current Collector at the Mesoscopic Level in Lithium Ion Battery by Using Hierarchical Graphene, Nano Lett. 2020

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00348

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00348

5. AM:直接生长垂直石墨烯地毯作为稳定锌金属负极的Janus隔膜

近年来,具有超高理论比容量(5855 mAh cm-3)的锌金属负极已经引起了人们极大的兴趣。此外,锌具有很高的氧化还原电位,这使得它能够在温和的水溶液中工作,离子电导率比在有机电解质中高出几个数量级。同时,锌的其他优点还包括不可燃性、低成本和高安全性。然而,其电化学稳定性差、循环寿命不理想是制约其规模化利用的主要瓶颈。这主要源于负极一侧的枝晶生长、表面钝化和副产物的形成。

近日,苏州大学孙靖宇教授、北京大学刘忠范院士报道了通过在商用玻璃纤维隔膜一侧直接生长垂直石墨烯(VG)地毯,在整个化学气相沉积过程中开发了一种Janus隔膜。

本文要点:

1)通过简单的空气等离子体处理,实现了氧和氮杂原子在裸石墨烯上的成功结合。由此得到的三维VG支架具有较大的比表面积和多孔结构,可以看作是平面锌负极的延续。反过来,Janus隔膜获得了均匀的电场分布,降低了负极/电解液界面的局部电流密度,并利用良好的亲锌特性建立了均匀的锌离子通量。

2)这种隔膜工程为锌离子混合电容器提供了令人印象深刻的倍率和循环性能(在5 A g-1的5000次循环中达到93%),同时为V2O5/Zn电池提供了出色的能量密度(182 Wh kg-1)。

该策略具有很大的可扩展性和成本效益,可作为保护可充电电池中主流金属负极(Zn、Na和K)的通用途径。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Chao Li, Directly Grown Vertical Graphene Carpets as Janus Separators toward Stabilized Zn Metal Anodes, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202003425

https://doi.org/10.1002/adma.202003425

Part Ⅱ 石墨烯的制备

1. Nano Research:具有晶圆级均匀性的无转移石墨烯的批量合成

绝缘体上无转移石墨烯的可扩展合成,为下一代电子和光电子学的研究提供了巨大的机会。然而,合理设计合成方案以获得直接生长的晶圆级石墨烯规模生产仍然是一项艰巨的挑战。

有鉴于此,北京大学,北京石墨烯研究院刘忠范院士,苏州大学孙靖宇教授报道了通过在石英上直接进行化学气相沉积(CVD),探索了具有晶圆级均匀性的大面积石墨烯的批量合成方法。

本文要点:

1)这种可控的CVD方法可以批量合成30块4英寸的石墨烯晶片,同时晶片具有较低的光学和电气特性波动。

2)计算流体动力学模拟揭示了石墨烯均匀增长的机理,即热场和密闭流场在实现批料均匀性方面起着主导作用。

3)所得的晶圆级石墨烯能够直接用作光学元件中的关键组件。同时方法适用于其他类型的绝缘基板(例如,蓝宝石,SiO2/Si,Si3N4),为以经济方式直接制造石墨烯晶圆开辟了新的途径。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Bei Jiang., et al. Batch synthesis of transfer-free graphene withwafer-scale uniformity. Nano Res. (2020).

DOI:10.1007/s12274-020-2771-3

https://doi.org/10.1007/s12274-020-2771-3

2. Angew:冷壁化学气相沉积方法用于石墨烯的超净生长

化学气相沉积(CVD)以其良好的可控性和均匀性成为工业化生产石墨烯薄膜的一种极具吸引力的方法。然而,在传统的热壁CVD系统中,CVD制备的石墨烯薄膜在高温生长过程中由于气相反应而受到表面污染,污染物主要是无定形碳。有鉴于此,北京大学彭海琳教授,刘忠范院士,曼彻斯特大学李林教授报道了冷壁CVD系统能够抑制气相反应,实现了石墨烯薄膜的可控超洁净生长。

本文要点:

1)实验结果表明,冷壁CVD(CW-CVD)具有独特的热分布,是大面积生长超清洁石墨烯薄膜的理想系统,同时气相温度明显降低,显著抑制了气相反应。2)所制备的超清洁石墨烯薄膜具有良好的光学和电学性能,是一种理想的透明电极和外延生长衬底材料。

本研究成果为高质量石墨烯薄膜的工业化生产提供了一种新的途径,对未来石墨烯CVD生长的研究具有指导意义。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Kaicheng Jia, et al, Superclean growth of graphene using cold-wall chemical vapor deposition approach, Angew. Chem. Int. Ed., 2020

10.1002/anie.202005406

https://doi.org/10.1002/anie.202005406

3. Nano Lett.:机械性能大幅度提高的超扁平石墨烯

由于Cu表面粗糙,可以释放界面热应力或石墨烯弯曲能,因此通过化学气相沉积法在Cu表面生长的石墨烯比较粗糙。而粗糙度无法避免的会降低石墨烯的导电性和机械强度。近日,北京大学刘忠范院士,彭海琳教授报道了以相邻的Cu(111)面和平坦的Cu(111)面为模型衬底,研究了原始表面形貌对石墨烯覆盖的Cu表面变形的影响。

本文要点:

1)研究发现,在Cu(111)邻近表面,如具有定向台阶的高温退火Cu(111)箔,Cu在石墨烯下面的快速扩散会驱动台阶的分面和SB的形成,从而释放了石墨烯弯曲能。相反,在Cu(111)光滑表面上,如在蓝宝石上制造的Cu(111)膜,错切角很小,石墨烯的生长只会引起原子台阶的富集,从而得到表面粗糙度为0.2 nm的超扁平石墨烯。

2)在Cu(111)薄膜上生长的原子平坦的石墨烯在转移到靶衬底后保持了超平坦的特征,避免了SB衍生的纳米颗粒。与波纹石墨烯相比,超扁平石墨烯的机械性能得到大大提高。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Bing Deng, et al, Growth of Ultra-Flat Graphene with Greatly Enhanced Mechanical Properties, Nano Lett., 2020

DOI:10.1021/acs.nanolett.0c02785

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02785

Part Ⅲ 石墨烯的应用

1. ACS Nano:大规模合成具有多功能石墨烯石英纤维电极

石英纤维是一种广泛使用的增强材料,具有较高的拉伸强度和出色的耐热性,如果导电,则可以应用在电磁干扰屏蔽,静电耗散和应变感应等。前人已经试图通过导电聚合物的表面涂层或金属膜的镀层来尝试增加石英纤维的电导率,但是这种方法会导致牺牲挠性以及重金属污染。

有鉴于此,北京大学刘忠范院士,刘开辉研究员报道了通过强制流动化学气相沉积(CVD)方法设计并大量生产了石墨烯石英纤维(GQF)的混合结构,该结构兼具石墨烯的优异导电性和石英纤维的优异性能。

本文要点:

1)将50m长的石英纤维束缠绕在石英管的表面上以进行石墨烯生长。通常,对于通过热解的无金属催化剂的石墨烯生长而言,活性炭原料的适当浓度和有效的分子碰撞对于高温下石墨烯的成核和边缘附着至关重要。为了加快反应速度,研究人员设计了一个狭窄的空间,通过使用另一个同轴石英管作为盘绕石英纤维束的紧套,在低压下产生强制性的碳原料流。当将反应气体泵入两个石英管之间的间隙中时,活性碳物质会扩散到GQF单丝之间的狭窄空间(约200 nm)中,从而在纤维表面之间发生相对频繁的碰撞,从而使石墨烯成核和生长。制备的GQF的较暗光学对比表明,石墨烯成功生长在石英纤维表面上。SEM图像显示GQF的石墨烯畴尺寸约为100 nm,与直接生长在SiO2衬底上的石墨烯的尺寸一致。XPS测试表明石英纤维上具有高纯度的石墨烯涂层。

2)研究人员合成的柔性GQF对有机溶剂蒸气表现出高灵敏度,快速响应(小于0.5 s)和良好的耐久性(5000个循环),适合用作实时仿生气体传感器。此外,大量生产的GQF可以编织成米级的织物,具有可调的电导率(0.2-10 kΩ/sq的薄层电阻)和出色的电热转换效率(24 V时可在几秒钟内达到980 °C),因此极有效推动了其在工业电加热器中的应用。

这种混合的GQF材料将极大地将传统石英纤维的应用扩展到具有极大吸引力的多功能领域中。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Guang Cui, et al, Massive Growth of Graphene Quartz Fiber as a Multifunctional Electrode, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c01298

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c01298

2. ACS Nano:高导电性氮掺杂垂直取向石墨烯用于多功能电极相关应用

将垂直取向的石墨烯(VG)直接生长在价格低廉、易获得的钠钙玻璃上,可以推动其在透明电极和能源相关领域的应用。然而,在无催化绝缘衬底上低温(∼600 ℃)沉积的石墨烯通常存在缺陷密度高、结晶质量差、导电性差等问题。

有鉴于此,为了解决这个问题,北京大学刘忠范院士,张艳锋研究员报道了采用射频等离子体增强化学气相沉积(rf-PECVD)工艺,成功在高硼硅酸盐玻璃上制备了无金属催化的N掺杂VG薄膜。

本文要点:

1)由于其相对较高的软化点(∼850 °C),采用高硼硅酸盐玻璃作为生长模板,可以在高达800°C的温度下生长VG薄膜,同时保持玻璃的初始形貌。

2)通过引入乙腈(CAN)作为氮源,将开发一种N掺杂的RF-PECVD工艺,以实现三个目标:a)在现有工艺的基础上,将生长温度提高200℃,高硼硅酸盐玻璃的石墨烯结晶质量有望得到明显改善;b)通过优化氮源的含量,有望在石墨烯晶格中引入以石墨化氮为主的掺杂,大大提高石墨烯的导电性;c)在低压PECVD过程中,活性氮/碳物种的传质速率加快,分布均匀,保证了VG薄膜的大面积均匀合成。

3)结果显示,在高硼硅酸盐玻璃上生长的氮掺杂(N-掺杂)VG薄膜的方阻可降至∼2.3 kΩ·sq-1,透过率为88%,不到甲烷前驱体基PECVD获得的产物的一半。

值得注意的是,这种合成路线实现了30英寸尺寸的均匀氮掺杂石墨烯玻璃,从而促进了其作为高性能可切换窗口优良电极的应用。此外,这种N掺杂的VG薄膜也被用作电催化析氢反应的高效电催化剂。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Lingzhi Cui, et al, Highly Conductive Nitrogen-Doped Vertically Oriented Graphene toward Versatile Electrode-Related Applications, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c05662

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c05662

Part Ⅳ 其他领域

1. AM:简便方法制备具有高指数晶面的大单晶铜箔

高指数金属面中金属原子丰富且复杂的排列具有了特殊的物理和化学性质,引起了催化和表面化学领域的广泛研究兴趣。但是,以可控且经济高效的方式制备大面积高指数单晶仍然是一个挑战。近日,北京大学刘忠范院士、彭海琳中科院力学研究所Yujie Wei曼彻斯特大学Li Lin等依靠应变工程异常晶粒生长技术,将市售的分米大小的多晶铜箔全部成功转变为具有一系列高指数晶面的单晶。

本文要点:

1)作者发现,在退火过程中,在铜箔上引入适当的热接触应力会导致高指数晶种的形成,且其主要由铜箔的热应变主导,而不是由表面能驱动的(111)面。

2)此外,通过设计静态温度梯度,可使所形成的高指数晶种能够在整个铜箔中扩展。

3)该方法得到的高指数铜箔可以用作生产高指数单晶铜基合金的模板。

该工作为2D材料的外延生长以及需要高指数金属箔及其合金的独特表面结构的应用提供了诱人的材料基础。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

Yanglizhi Li, et al. Large Single‐Crystal Cu Foils with High‐Index Facets by Strain‐Engineered Anomalous Grain Growth. Adv. Mater., 2020

DOI: 10.1002/adma.202002034

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002034

2. Nat. Nanotechnol.:二维材料助力超高非线性光纤

非线性光纤在日常生活中被广泛应用,譬如光频率转换,超快激光和光通信等等领域。目前,非线性的实现,主要通过两种方式:

1)将非线性材料注入纤维;

2)制造微结构化纤维。

然而,这两种策略都存在光学非线性低或设计灵活性差的问题。

有鉴于此,中科院物理所白雪冬研究员以及北京大学刘忠范院士、刘开辉教授等人报道了一种两步化学气相沉积法,实现了高度非线性的二维材料MoS2在SiO2光纤内壁的直接生长。

本文要点:

1)研究人员预先沉积了固体前体以确保均质的原料,然后在整个纤维壁上实现均匀的MoS2生长。与单层MoS2/SiO2相比,所制成的25厘米长的光纤的二次谐波和三次谐波的产生都可以提高约300倍。在很宽的频率范围内,传播损耗保持在〜0.1 dB cm-1

2)此外,通过将嵌入二维材料的光纤作为可饱和吸收体进行集成,研究人员演示了一种全光纤锁模激光器(输出功率约为6 mW,脉冲宽度约为500 fs,重复频率约为41 MHz)。

总之,这项研究提供了一种新型的非线性光纤的实现方法,初步验证也适用于其他过渡金属二硫属化物,这种嵌入式光纤有望拓展应用于多种全光纤非线性光学和光电应用。

刘忠范院士团队2020年代表性成果集锦!

YonggangZuo et al. Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahighnonlinearity. Nature Nanotechnology 2020.

DOI:10.1038/s41565-020-0770-x

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0770-x

本文来自纳米人,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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