広帯域非線形光学応答と超高速キャリアダイナミクスを持つニオブ-カーバイドMxenes

Niobium-Carbide Mxenes with Broadband Nonlinear Optic Response and Ultrafast Carrier Dynamics.

• Yiduo Wang
• Yingwei Wang
• Keqiang Chen
• Kun Qi
• Tianyu Xue
• Han Zhang
• Jun He
• Si Xiao

抄録

MXenes のような有望な二次元材料の非線形フォトニクスを探求することは、広帯域光電子・フォトニクス応用の開発を後押しするものである。本論文では、新興のMXenesであるNbCの広帯域非線形光学応答と励起キャリアダイナミクスを可視から近赤外域の波長領域で系統的に調べた。得られた非線形光学応答は、波長依存性と励起強度依存性を示した。その結果、3次非線形光感受性Imχの虚数部は-1.4×10 esu、功利の図(FOM)は7.5×10 esu cmであることがわかった。近赤外におけるNbCナノシートの興味深い非線形吸収応答反転特性(可飽和吸収から2光子吸収へのシフト)は、光スイッチのような非線形フォトニクスへの重要な応用が期待される。また、波長依存の緩和時間は、数百フェムト秒と数ピコ秒の2つの異なる緩和成分（時定数）で構成されていることを示した。この結果は、2次元NbCの近赤外ナノフォトニック応用に有望な可能性を示しており、2次元材料ベースのナノフォトニックデバイスやその先のナノフォトニックデバイスの有望な候補となる。

Exploring the nonlinear photonics of emerging promising two-dimensional (2D) materials like MXenes will boost the development of broad-band optoelectronic and photonic applications. In this paper, the broad-band nonlinear optical response and the excited-carrier dynamics of an emerging MXenes, NbC, are systematically investigated for the wavelength range of visible to near-infrared band. The obtained nonlinear optical response shows a wavelength- and excitation-intensity-dependence. The imaginary part of the third-order nonlinear optical susceptibility Imχ and figure of merit (FOM) were found to be -1.4×10 esu and 7.5×10 esu cm, respectively. The interesting nonlinear absorption response inversion properties ( a shift from saturable absorption to two-photon absorption) of NbC nanosheets in the near infrared promise possible important applications in nonlinear photonics, such as optical switch. We also demonstrate that the wavelength-dependent relaxation times consist of two different relaxation components, time constants, where one is hundreds of femtoseconds and the other several picoseconds. Our results indicate promising potential in near infrared nanophotonic applications of 2D NbC and offer a promising candidate for 2D-material-based nanophotonic devices and beyond.