溴端基修饰Ti2C MXene的近红外非线性光学特性及其超快光子学应用研究

MXenes材料表面功能化调控是优化其光电性能的关键。为解决表面终止基团不可控问题，研究人员通过熔盐蚀刻技术成功合成Br端基修饰的Ti2CBr2 MXene，结合第一性原理计算和实验验证，发现其在近红外波段具有48.25%（1 μm）和26.36%（1.5 μm）的调制深度，实现了1030 nm和1563 nm稳定锁模激光输出，为超快光子学器件开发提供了新材料体系。

　　

二维材料MXenes家族因其独特的电子结构和光学性质，近年来在光电器件领域引发研究热潮。然而，这类材料表面终止基团（如-F、-O等）的不可控性严重制约了性能优化，就像给赛车装上了随机尺寸的轮胎——即使引擎再强，也难以发挥最佳速度。特别是对于超快激光器核心元件可饱和吸收体（SA）而言，传统MXenes在近红外波段的吸收效率和调制深度存在明显瓶颈。

针对这一难题，山东师范大学（根据通讯地址Shandong Normal University翻译）的研究团队独辟蹊径，通过溴元素表面工程改造Ti₂C MXene，在《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》发表的研究中揭示了Ti₂CBr₂在近红外波段的卓越非线性光学特性。研究人员采用熔盐蚀刻技术精准合成Br端基修饰的Ti₂C，结合第一性原理计算比较了-Br、-Cl等不同终止基团对材料能带结构和光吸收的影响，并通过双探测器测量技术验证了其饱和吸收性能，最终构建了全光纤锁模激光器验证应用效果。

关键实验技术
研究采用维也纳第一性原理计算软件包（VASP）进行密度泛函理论（DFT）计算，使用投影缀加波（PAW）方法处理电子相互作用；实验部分通过熔盐蚀刻法合成Ti₂CBr₂，采用平衡式同步双探测器技术测量1 μm和1.5 μm波段的非线性光学响应。

理论计算揭示结构优势
第一性原理计算显示，Br终止基团在"fcc"位点吸附时，使Ti₂CBr₂在近红外区产生显著的光学响应增强。相较于-F、-O等传统终止基团，-Br修饰不仅有效调控了材料的功函数（降低1-2 eV），还通过诱导电子态重组拓宽了光吸收范围。

实验验证非线性吸收
实验测得Ti₂CBr₂在1 μm波段调制深度达48.25%，远超石墨烯（约5%）等传统材料；在1.5 μm波段仍保持26.36%的优异性能。这种宽带响应特性使其能同时适配Yb³⁺和Er³⁺掺杂激光系统。

超快激光器应用验证
将Ti₂CBr₂作为可饱和吸收体集成到全光纤谐振腔中，成功实现了1030 nm和1563 nm双波长的稳定锁模脉冲输出，脉冲宽度分别达到飞秒和皮秒量级，验证了其在实际器件中的可靠性。

这项研究不仅首次证实了Br端基修饰对MXenes近红外光学性能的增强作用，更建立了表面终止基团选择与非线性光学响应的构效关系。通过精准的"表面手术"，研究人员将Ti₂C MXene转变为超快光子学的"多面手"，为下一代紧凑型光纤激光器的开发提供了新材料解决方案。该成果对推动MXenes在光通信、激光医疗等领域的应用具有重要指导意义，同时提出的表面功能化调控策略可拓展至其他二维材料体系。