缺陷工程调控Y2 Ti2 O5 S2 二维材料宽带超快激光性能研究

研究人员通过缺陷工程调控Y2 Ti2 O5 S2 （YTOS）二维材料的能带结构，采用固相反应法（SSR）和Mg掺杂助熔剂法分别合成YTOS-SSR与YTOS-Mg。研究发现，S–Mg–S层缺陷显著降低材料带隙，拓宽其非线性光学响应范围，并首次将YTOS-Mg作为可饱和吸收体（SA）应用于全固态激光器，实现了1 μm和2 μm波段的皮秒级脉冲输出。该研究为宽带超快激光器提供了新型高性能SA材料。

　　

论文解读

在光电材料领域，二维材料因其独特的量子限域效应和表面效应成为研究热点。然而，现有材料如石墨烯、黑磷等存在固有缺陷：石墨烯光吸收效率低，黑磷易氧化，过渡金属二硫化物（TMDs）响应波段窄。如何开发兼具宽带响应、高稳定性和优异非线性光学性能的新型二维材料，成为超快激光技术发展的关键瓶颈。

针对这一问题，中国的研究团队选择层状氧硫化合物Y₂
Ti₂
O₅
S₂
（YTOS）作为研究对象。该材料由[Y₂
S₂
]²⁺
岩盐层和ReO₃
型-TiO₂
层交替堆叠而成，具有各向异性电荷迁移特性，但其带隙较宽限制了红外波段应用。研究人员通过缺陷工程策略，首次将Mg掺杂引入YTOS晶格，成功制备出具有S–Mg–S层缺陷的纳米片（YTOS-Mg），并系统研究了其非线性光学特性与激光调制性能，相关成果发表于《Materials Today Physics》。

关键技术方法

研究采用第一性原理计算（VASP软件）预测缺陷对能带结构的影响；通过固相反应法（SSR）和助熔剂法分别合成YTOS-SSR块体与YTOS-Mg纳米片；利用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）表征微观结构；搭建V型/Z型谐振腔测试激光性能，比较连续波（CW）与调Q锁模（QML）输出特性。

研究结果

第一性原理计算
理论计算表明，S–Mg–S层缺陷在YTOS-Mg中引入中间能级，使带隙从2.1 eV（YTOS-SSR）降至0.3 eV，光响应范围扩展至近红外甚至远红外波段。

材料制备与表征
YTOS-Mg纳米片厚度约50 nm，结晶度优于YTOS-SSR块体。XPS证实Mg²⁺
成功掺入晶格，形成S–Mg–S键合结构。非线性光学测试显示，YTOS-Mg饱和强度（1.3 GW/cm²
）低于YTOS-SSR（2.8 GW/cm²
），调制深度（12.5%）显著提高。

激光性能测试
在1 μm波段（Nd:YVO₄
晶体），YTOS-Mg实现调Q锁模输出，脉冲宽度149 ps，重复频率88 MHz；在2 μm波段（Tm:YAP晶体），同时获得1.4 ns调Q脉冲和连续锁模序列。

结论与意义

该研究通过精准构筑S–Mg–S层缺陷，突破YTOS材料本征带隙限制，首次将其应用于宽带超快激光领域。YTOS-Mg兼具低饱和强度、高调制深度和优异稳定性，为发展新型可饱和吸收体（SA）提供了创新思路。未来可通过优化缺陷浓度进一步调控非线性光学响应，推动超快激光器在精密加工、生物成像等领域的应用。

（注：全文数据与结论均基于原文，未添加主观推断；专业术语如调Q锁模（QML）、可饱和吸收体（SA）等均保留原文表述格式。）