少层Nb2C MXene的光电器件应用

过渡金属碳/氮化物（MXene）作为一种新型二维纳米材料，自2011年被首次报道以来，凭借其优异的物理化学特性，迅速引起了科研工作者们的广泛关注。研究表明目前70%以上的研究均围绕着Ti₃C₂这一材料，而对于其他种类MXene的应用探索较少。

2020年5月，深圳大学张晗教授（点击查看介绍）课题组报道了少层Nb₂C MXene的制备，并系统研究了其载流子动力学和非线性光学性质（Small Methods, 2020, 4, 2000250）。近日，该材料在光电探测器和锁模光纤激光器方面的应用被进一步挖掘。图1为制备所得的少层Nb₂C MXene的形貌表征，作者通过氢氟酸刻蚀和小分子插层手段得到了100纳米尺寸的MXene纳米片，厚度约为2.5纳米，表明材料由约5层Nb₂C组成。

图1. 少层Nb₂C MXene的形貌表征图和紫外吸收谱。

随后作者将该材料均匀涂覆在ITO剥离上作为工作电极，系统研究了少层Nb₂C MXene的光电转换性质。如图2所示，样品在测试电压范围内没有明显的氧化峰，表明其在电解质中较为稳定。研究表明，材料的光电响应性能随着外加电压的增加而明显增加，在0.8 V的条件下性能最优。此外，少层Nb₂C MXene的光响应电流密度随着光照强度的增加而明显增强，其光电响应效率呈现相反的现象。通过对比不同浓度的电解液可以发现，随KOH的浓度的增加，材料的光电转换性能有所提高。这主要可以归因于材料的界面电阻以及表面官能团浓度的变化引起的光吸收和功函的改变。

图2. 基于少层Nb₂C MXene的光电探测器性能研究。

此外，作者还尝试将少层Nb₂C MXene应用于被动锁模光纤激光器。将Nb₂C溶液通过拉锥光纤连接进光纤激光器中，利用Nb₂C良好的饱和吸收特性成功在近红外和中红外光纤激光器中获得超短脉冲输出。在1559.8 nm附近获得603 fs超短脉冲，信噪比大于45 dB。从UV-Vis图中可以看出Nb₂C在2 µm波段对光有很好的吸收，说明Nb₂C在中红外光纤激光器中具有潜在应用价值。如图3所示，当泵浦功率为600 mW时，作者成功在1882 nm附近获得脉冲宽度为2.27 ps的超短脉冲输出，同时，随着泵浦功率的增加，作者获得69次高次谐波，重复频率为411 MHz。

图3. 基于少层Nb₂C MXene的锁模光纤激光器。

该研究性论文近期发表在ACS Nano，深圳大学高凌锋、马春阳和魏松瑞为该研究论文的共同第一作者，通讯作者为深圳大学二维材料光电科技联合实验室张晗特聘教授和瑞典乌普萨拉大学Hans Ågren教授，深圳大学为第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、广东省科技计划项目、深圳市科学技术创新基金以及河南省海外杰出人才培养中心资助等项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Applications of Few-Layer Nb₂C MXene: Narrow-Band Photodetectors and Femtosecond Mode-Locked Fiber Lasers

Lingfeng Gao, Chunyang Ma, Songrui Wei, Artem V. Kuklin, Han Zhang, Hans Ågren

ACS Nano, 2021, 15, 954-965, DOI: 10.1021/acsnano.0c07608

张晗教授简介

深圳大学特聘教授、深圳市黑磷工程实验室主任、博士生导师。美国光学学会会士、基金委“优青”、科睿唯安“高被引科学家（2018/2019）”、广东省科技领军人才等。长期从事低维材料光电器件相关研究，以通讯作者发表中科院一区论文超过100篇，包括Chemical Society Reviews, Coordination Chemistry Reviews, Physics Reports, PNAS, Science Advance, Nature Communications等，论文总被引超过39,000次，H-index指数111。张晗教授担任多个SCI期刊专题主编/编委、中国激光青年编委会秘书长、全国光学青年学术论坛第二届主席团副主席。科研成果获得教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、广东省丁颖科技奖、深圳市青年科技奖、深圳市自然科学奖等。

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