萊斯大學的研究人員發現，一些原子厚的半導體，稱為過渡金屬二硫化物（TMD），在暴露於光時實際上可以改變其原子晶格。這種新觀察到的響應提供了一種可控的方法來調整這些超薄材料的行為和特性。
這種現像出現在 TMD 的一種亞型中，稱為 Janus 物質，以與轉變相關的羅馬神命名。它們對光的敏感性可以支持依賴光信號而不是電流的未來技術，包括更快、更冷的計算機芯片、高響應傳感器和靈活的光電系統。
“在非線性光學中，光可以被重塑以產生新的顏色、更快的脈衝或打開和關閉信號的光學開關，”萊斯大學博士研究生、該研究的第一作者 Kunian Zhang 說。 “二維材料只有幾個原子厚，使得在非常小的規模上構建這些光學工具成為可能。”
Janus 材料有何不同？
TMD 由過渡金屬（例如鉬）和兩層硫屬元素（例如硫或硒）的堆疊層構成。它們兼具導電性、強光吸收性和機械靈活性，使其成為下一代電子和光學設備的主要候選者。
在這一組中，Janus 材料脫穎而出，因為它們的上下原子層由不同的化學元素組成，賦予它們不對稱的結構。這種缺陷導致了內置的電極性，並增加了它們對光和外力的敏感性。
“我們的工作探索了 Janus 材料的結構如何影響其光學行為，以及光本身如何在材料中產生力，”張說。
使用激光檢測原子運動
為了研究這種行為，研究小組在由硒化鉬堆疊在二硫化鉬上組成的雙層 Janus TMD 上使用了不同顏色的激光。他們研究了它如何通過二次諧波產生（SHG）來改變光，在這個過程中，材料以兩倍於入射光束頻率的頻率發射光。當入射激光與材料的自然共振相匹配時，通常的倍頻圖案就會扭曲，表明原子正在移動。
“我們發現，光照在 Janus 鉬硫硒化物和二硫化鉬上會在材料內產生微小的方向力，這表現為其二次諧波圖案的變化，”張說。 “通常情況下，二次諧波信號形成六面‘花’形狀，反映了晶體的對稱性。但是當光照射到原子上時，這種對稱性就被打破了——圖案的花瓣會不均勻地收縮。”
光窄化和層耦合
研究人員將倍頻畸變歸因於光學狹窄，這是光的電磁場對原子施加機械力的過程。在 Janus 材料中，層之間的強耦合放大了這種效應，甚至允許非常小的力產生可測量的應力。
“Janus 材料是理想的選擇，因為它們的不對稱結構增強了層之間的耦合，使它們對微小的光力更加敏感，這些光力太小而無法直接測量，但我們可以通過 SHG 信號模式的變化來檢測，”張說。
未來光學技術的潛力
這種高靈敏度表明 Janus 材料可以成為各種光學技術中有價值的組件。使用這種機制引導或控制光的設備可能會導致更快、更節能的光子芯片，因為基於光的電路比傳統電子器件產生的熱量更少。類似的特性可用於構建可檢測非常小的振動或壓力變化的微調傳感器，或開髮用於顯示器和先進成像系統的可調節光源。
“這種主動控制可以幫助設計下一代光學芯片、超靈敏探測器或量子光源，這些技術使用光來傳輸和處理信息，而不是依賴於電力，”萊斯大學電氣和計算機工程以及材料科學和納米工程助理教授、該研究的通訊作者 Xingxi Huang 說。黃還隸屬於斯莫利·科爾研究所、萊斯先進材料研究所和肯尼迪研究所。
結構性小失衡影響大
通過展示 Janus TMD 的內部不對稱性如何創造影響光流的新方法，該研究表明微小的結構差異可以帶來巨大的技術機遇。
該研究得到了國家科學基金會（2246564、1943895）、空軍科學研究辦公室（FA9550-22-1-0408）、韋爾奇基金會（C-2144）、美國能源部（DE-SC0020042、DE-AC02-05CH11231）和美國空軍科學研究辦公室的支持。 (FA2386-24-1-4049) 和台灣教育部。本文內容僅由作者負責，並不一定代表資助組織和機構的官方觀點。
