物理学院肖旭团队在Nature Photonics发表最新研究成果

4月20日，必威官方客服物理学院、电子薄膜与集成器件全国重点实验室肖旭团队与新加坡国立大学仇成伟团队合作，以“Ultrathin MXene assemblies approach the intrinsic absorption limit in the 0.5–10 THz band”为题，在Nature Photonics上发表论文。必威官方客服物理学院为论文第一单位，赵陶副教授、谢裴曜博士研究生、万胡杰博士研究生、丁天朋研究员为第一作者。

图1 文章封面截图

　　在太赫兹波全频段实现太赫兹—物质强相互作用，是发展太赫兹技术的重要物质科学基础，在太赫兹宽频探测等领域具有重要的意义。尽管以石墨烯、MoS2、拓扑绝缘体为代表的一系列二维材料被证明可以实现对太赫兹波的本征高吸收，但吸收带宽较窄，往往低于2THz，无法在太赫兹全频段实现对太赫兹波的本征极限吸收（50%吸收率）。

图2 超薄MXene自组装薄膜的吸收特性

图3 太赫兹波与MXene相互作用机制图解；太赫兹吸收性能与MXene厚度的关系，以及其与弛豫时间、电子浓度的依赖特性

鉴于此，该团队通过构建层数可控的MXene自组装薄膜，发现少层MXene薄膜可实现在超宽太赫兹频段（0.5-10THz）的接近理论极限（50%）的本征吸收。通过分析厚度依赖的MXene薄膜的太赫兹电导数据，揭示了物质的电子浓度和弛豫时间与太赫兹本征吸收带宽和强度的构效关系。证明了影响MXene薄膜达到太赫兹宽带本征高吸收的关键因素是其兼具短弛豫时间(~15 fs)和高电子浓度（1021~1022 cm-3）的特性。

根据经典阻抗匹配理论，在达到理论极限吸收条件时需满足导电薄膜的直流阻抗等于自由空间阻抗的一半。但该团队发现MXene薄膜的直流阻抗远大于自由空间阻抗（即经典阻抗匹配理论不再适用），然而其太赫兹阻抗（交流阻抗）等于自由空间阻抗的一半。进一步分析证实太赫兹波作用下，MXene自组装薄膜的电子输运过程存在片间/片内两个过程，符合Drude-Smith模型。在直流条件下，MXene的电子输运以片间跳跃（interlayer hopping）为主；在太赫兹波作用下，MXene的电子输运以片内振荡和多种散射为主，因此其直流和交流阻抗差异巨大。基于上述分析，该团队修正了经典阻抗匹配理论的适用范围，建立了基于交流阻抗的阻抗匹配新公式和理论。该工作填补了超宽带太赫兹本征高吸收研究的空白，为下一代太赫兹宽谱器件的构筑奠定了基础。