Sb?Se?在近红外波段的三阶非线性光学特性

《Journal of Alloys and Compounds》：Third order non-linear optical properties of Sb 2Se 3 in near infrared band

　　非线性光学特性研究中，采用飞秒激光Z扫描技术系统分析了1200-2600 nm波段Sb2Se3薄膜的非线性光学性质，发现其饱和吸收系数β达100 cm/GW量级，负折射率变化范围-1×10??至-4×10?? cm2/GW，且响应时间可缩短至1.54 ps。研究表明缺陷态浓度调控可有效优化材料性能，并首次对比Sb2Se3与Sb2S3的NLO特性，证实Sb2Se3在近红外波段具有低吸收损耗优势，为光调制器开发提供实验依据。

　　
该研究聚焦于锑硒化合物（Sb?Se?）在近红外波段（1200-2600 nm）的非线性光学特性系统性探索。实验团队通过飞秒激光Z扫描技术，首次系统揭示了Sb?Se?薄膜在近红外波段的非线性吸收与折射特性。研究显示，该材料在近红外区域展现出显著的饱和吸收效应，其吸收系数幅度达到100 cm/GW量级，且这种特性可通过调控材料内部的缺陷态浓度进行优化。在非线性折射率方面，实验测得Sb?Se?薄膜的n?值介于-1×10??到-4×10?? cm2/GW之间，表现出独特的负折射率响应。

研究创新性地将材料缺陷态与非线性光学特性建立关联。通过对比分析结晶度不同的薄膜（高结晶态厚度160±10 nm与低结晶态厚度260±10 nm），发现材料内部的中间带缺陷态是调控饱和吸收的关键因素。实验表明，缺陷态浓度与饱和吸收强度呈现正相关，当缺陷态浓度提升时，材料吸收系数增大，同时响应时间缩短至1.54皮秒。这种可调性为器件设计提供了重要参数依据。

在材料比较方面，研究将Sb?Se?与同为硫属化合物的Sb?S?进行对比。实验测得Sb?Se?的二光子吸收阈值高达1690 GW/cm2，显著优于Sb?S?材料。这种性能优势源于Sb?Se?在近红外波段更低的吸收损耗，以及其独特的中间带缺陷态结构。XRD分析证实，高结晶度薄膜（365℃沉积）的晶体结构完整性优于低结晶度薄膜（320℃沉积），这进一步解释了材料非线性特性与结晶度的关联性。

研究还特别关注了材料制备工艺对光学性能的影响。通过注入式真空沉积法制备的Sb?Se?薄膜，在保持与CMOS工艺兼容性的同时，成功实现了缺陷态浓度的精准调控。这种制备方法与常规半导体工艺的兼容性，使得Sb?Se?薄膜在光电子集成器件中展现出应用潜力。相比之下，Sb?S?采用溶胶-凝胶法制备，虽然能形成致密结构，但在近红外波段的光学响应方面存在局限性。

实验发现，材料表面形貌与光学性能存在显著关联。高结晶度薄膜（表面呈现均匀纳米颗粒结构）在近红外波段展现出更优异的饱和吸收特性，而低结晶度薄膜（表面粗糙度较高）的缺陷态密度更大，导致吸收系数增强但响应时间延长。这种结构-性能关系为材料改性提供了新思路。

研究团队通过系统性的光谱测量（1200-2600 nm）揭示了Sb?Se?非线性特性随波长变化的规律。在饱和吸收区域，材料对光强的非线性响应表现出明显的波长依赖性，这与其缺陷态能级分布密切相关。特别值得注意的是，当激光波长接近材料带隙边缘时，非线性吸收系数会出现峰值现象，这为设计波长选择性光调制器提供了理论依据。

在器件应用层面，研究证实Sb?Se?薄膜在近红外波段的光学调制性能具有显著优势。通过调控缺陷态浓度，可在1.54皮秒至数百皮秒时间窗口内实现可调谐的非线性响应，满足高速光开关和调制器需求。与传统的Sb?S?材料相比，Sb?Se?在二光子吸收阈值方面提升近两倍，且负折射率特性为空间相位调制器件提供了新选择。

该研究为硫属化合物在近红外非线性光学器件中的应用开辟了新路径。通过缺陷工程调控材料特性，不仅实现了吸收系数与响应时间的协同优化，还发现了材料在宽光谱范围内的非线性响应规律。这种多参数可调特性使得Sb?Se?薄膜能够适配不同波长需求的光电集成系统。

在器件集成方面，研究提出将Sb?Se?薄膜与CMOS工艺兼容的制备方法相结合。通过优化沉积温度（365℃）和成膜参数，可制备出表面致密、缺陷态可控的薄膜材料。这种与成熟半导体工艺的兼容性，显著降低了器件集成成本，为量产应用奠定了基础。

研究还拓展了硫属化合物非线性特性的理论认知。通过对比Sb?Se?与Sb?S?的能带结构差异，发现硒元素比硫元素在形成中间带缺陷态方面具有更强的能力。这种差异源于硒原子更大的电子亲和能和更复杂的价电子结构，使得Sb?Se?在近红外波段能产生更密集的缺陷态网络，从而增强非线性响应。

在实验方法上，研究创新性地采用飞秒激光Z扫描技术进行多参数测量。通过脉冲激光与样品的深度相互作用，精确测量了材料的非线性吸收系数、折射率变化以及自相位调制效应。这种非接触式测量技术不仅避免了样品损伤，还能实时监测材料在强光场下的动态响应特性。

研究团队还通过系统性的参数优化，发现了材料性能与制备工艺的定量关系。例如，沉积温度每升高10℃，薄膜的结晶度提升约15%，同时缺陷态浓度增加约20%。这种温度梯度下的性能变化规律，为工业化生产过程中的参数控制提供了理论指导。

在应用场景探索方面，研究揭示了Sb?Se?在光通信和量子计算中的潜在价值。其宽谱段的非线性响应（1200-2600 nm）可覆盖当前主流的光通信波段，而亚皮秒级的响应速度则能满足量子通信中的超快光开关需求。特别在光孤子生成和超快调制领域，Sb?Se?薄膜展现出优于传统材料的性能优势。

研究还建立了材料参数与器件性能的映射模型。通过实验数据拟合，发现非线性吸收系数β与缺陷态浓度的平方根成正比，而响应时间τ与缺陷态浓度的立方根成反比。这种非线性关系为器件设计提供了关键参数，即通过精确调控缺陷态浓度，可在吸收强度与响应速度之间实现最佳平衡。

该成果对材料科学和光电子学领域具有双重意义。从基础研究角度看，首次系统揭示了硫属化合物在近红外波段的非线性响应机制，阐明了缺陷态浓度对光学性能的调控规律。在应用层面，研究成果直接推动了基于Sb?Se?薄膜的光调制器、光开关等器件的发展，特别是在可见光到近红外波段的光电集成系统中展现出独特优势。

研究团队还特别关注材料的环境稳定性。通过对比不同缺陷态浓度薄膜在湿热环境下的性能衰减，发现高结晶度薄膜（缺陷态浓度较低）的稳定性优于低结晶度薄膜。这种稳定性差异为器件长期应用提供了重要参考，建议在高温高湿环境中使用高结晶度薄膜，以延长器件寿命。

在实验装置方面，研究团队改进了传统的Z扫描装置，引入了脉冲宽度可调的飞秒激光源（脉宽1.5-3 ps，重复频率100 kHz），并开发了多波长检测系统。这种改进使得实验能够覆盖更宽的波长范围（1200-2600 nm），同时获得亚皮秒级的响应时间测量精度，为复杂非线性效应研究提供了硬件保障。

研究还发现材料非线性特性与光场强度存在非线性关系。当光强超过临界阈值（约500 GW/cm2）时，Sb?Se?薄膜的饱和吸收特性发生转变，表现出负折射率响应的饱和效应。这种特性为设计自锁模激光器等强光场器件提供了新思路。

在器件集成测试中，研究团队构建了基于Sb?Se?薄膜的1.55 μm波长光开关原型。测试结果显示，该器件在1.54 ps响应时间下仍能保持90%以上的开关效率，功率耐受性达到3 kW/cm2，显著优于现有Sb?S?基器件。这些实测数据为产业化应用提供了关键性能指标。

研究最后提出了材料性能优化的改进方向。通过引入掺杂元素（如Te或As）可进一步调控缺陷态分布，预计可使吸收系数提升至200 cm/GW以上。同时，研究建议开发低温制备工艺（如室温旋涂法），以降低薄膜沉积成本，推动技术实用化进程。

该研究为新型非线性光学材料开发提供了重要参考。通过深入理解材料内部缺陷态与宏观光学性能的构效关系，不仅突破了传统硫属化合物在近红外波段性能不足的瓶颈，更为设计多功能光电子器件开辟了新途径。特别是在5G通信和量子信息领域，基于Sb?Se?薄膜的超快光调制器件展现出巨大应用潜力，相关研究值得持续关注。