MXene材料自2011年首次发现以来，引起了众多领域专家的关注。其化学结构通式为M n+1X nT x（ n=1-4），其中M表示过渡金属元素，X为碳或者氮，T表示表面的官能团。鉴于其不同的组成，直到目前为止，已经有近40多种MXene材料被成功制备，而理论角度更是表明有上百种可能有待开发。调研发现，目前大部分关于MXene的研究着眼于最早发现的Ti 3C 2这一材料，而对于其他种类MXene材料的研究相对较少。Ti 3CN被认为是典型的异质MXene材料，其非金属部分的一半碳元素被氮元素取代，赋予了其独特的物化性质，例如优异的导电性和催化活性。尽管该材料在可循环电池、超级电容器以及可饱和吸收体已有初步应用，其非线性光学性质鲜有报道，限制了其在光电器件领域的发展。
有鉴于此，近日杭州师范大学的高凌锋副教授联合深圳大学张晗教授和乌普萨拉大学Hans Ågren教授，通过瞬态吸收和Z-扫描技术分别对Ti3CN MXene的载流子动力学和宽带非线性光学响应进行探索，结合第一性原理计算，详细展示了其光学性质。图1为制备所得Ti 3CN MXene的相关表征，通过氢氟酸刻蚀和小分子插层，得到了高质量的少层Ti 3CN MXene材料。随后团队研究了不同波长下Ti 3CN MXene的载流子动力学，总结其弛豫时间随波长的变化关系（图2），发现其快弛豫时间在78-160飞秒范围内，而慢弛豫时间在2.88-4.25皮秒范围内。图3展示了相关的第一性原理计算，其模型按照AFM测试得到的2.6 nm厚度建立，通过对不同末端基团样品的光学性质模拟和计算电子能量随时间的变化，揭示了其电子弛豫的三个过程，并验证了载流子的超快弛豫现象。此外，团队还研究了不同波长下Ti 3CN MXene的非线性光学性质（图4），发现其在短波长下呈现可饱和吸收，而在长波长下呈现反饱和吸收性质，与之前团队在Nb 2C MXene中观察到的现象类似（Small Methods,2020, 4, 2000250）。其原因在于短波长下，其单个光子能量大于跃迁能量，此时大部分表现为基态吸收，而长波的单个光子能量较低，此时产生双光子或多光子吸收，因此表现为饭饱和吸收。鉴于Ti 3CN MXene的超快弛豫时间及其随波长变化的非线性光学性质，将在光电器件领域展现出巨大的应用价值，例如可见光领域的锁模和调Q以及一些光学限制设备等。
图1.少层Ti3CN MXene的形貌表征。
图2.少层Ti3CN MXene的载流子动力学。
图3.少层Ti3CN MXene的第一性原理计算。
图4.不同波长下少层Ti3CN MXene的非线性光学行为。
相关工作近期以题为“Optical Properties of Few-Layer Ti 3CN MXene: From Experimental Observations to Theoretical Calculations”发表在纳米研究领域国际著名杂志《ACS Nano》上。论文的共同第一作者为杭州师范大学高凌锋副教授、深圳大学陈华龙博士和乌普萨拉大学Artem V. Kuklin博士，杭州师范大学高凌锋副教授、深圳大学张晗教授以及乌普萨拉大学Hans Ågren教授为共同通讯作者，杭州师范大学为第一完成单位。
论文信息：
Lingfeng Gao*, Hualong Chen, Artem V. Kuklin, Swelm Wageh, Ahmed A. Al-Ghamdi, Hans Ågren*, and Han Zhang*，Optical Properties of Few-Layer Ti3CN MXene: From Experimental Observations to Theoretical Calculations，ACS Nano, 2022，DOI：10.1021/acsnano.1c10577
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c10577
来源：高分子科学前沿
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