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超强激光科学卓越创新简报

(第七百七十三期)

2026年5月13日

上海光机所在In2Se3非线性光学行为和超快载流子动力学研究取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所光电前沿交叉部王俊研究员团队在层状In2Se3纳米片非线性光学行为和超快载流子动力学方面取得进展。相关研究成果以“Tunable Nonlinear Optical Properties and Ultrafast Dynamics in 2D α-In₂Se₃ via Thickness Control”为题，发表于Optics & Laser Technology。

α-In₂Se₃凭借直接带隙、高载流子迁移率、室温铁电性及宽带光谱响应等优势，在纳米光电子器件领域展现出巨大潜力。其带隙具有强烈的厚度依赖性，通过简单调控层数即可精确调控光子能量响应窗口，为高性能、可定制化光电探测器提供了独特的设计自由度。然而，当前关于该材料的非线性光学研究仍处于起步阶段，其厚度依赖的非线性光学性质与超快载流子动力学机制尚不明晰。系统探究α-In₂Se₃厚度与其非线性光学响应及载流子弛豫过程的内在关联，不仅有助于揭示低维半导体中光-物质相互作用的新物理机制，也为推动其在超快光子学、宽带光调制及非线性光电子器件等领域的应用奠定关键的理论与实验基础。

研究团队通过机械剥离的方式获得高质量的2H相α-In₂Se₃纳米片，探究了不同厚度材料的稳态与瞬态光学性质。随着厚度减小，光学带隙从1.57 eV持续展宽至2.13 eV，为量子限域效应提供了直接证据。基于微区 Z 扫描、I 扫描和超快泵浦-探测光谱的测量进一步表明，材料的非线性吸收系数和载流子弛豫寿命均随厚度发生显著变化。具体而言，载流子弛豫呈现快、慢双指数过程，分别对应浅能级缺陷和深能级缺陷的俘获，两种过程的寿命均随厚度减小而延长。这一现象源于量子限域效应引起的导带底上移，增大了载流子被硒空位等本征缺陷俘获的能垒，从而降低了俘获速率。该工作阐明了通过厚度调控可实现二维In₂Se₃非线性光学性质与载流子动力学的有效调控，为其在可编程非线性光子器件和高性能光电探测器等领域的应用提供了关键的物理基础。

相关研究得到了国家重点研发计划（2024YFA1409400）的支持。

图1 二维α-In₂Se₃的光学吸收、非线性光学性质及载流子动力学特性。(a)不同厚度α-In₂Se₃的光学带隙表征；(b)非线性吸收系数与饱和光强的厚度依赖关系；(c-d)不同厚度In₂Se₃的瞬态吸收光谱。

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