单层与多层MoWSe2合金非线性光学特性的调控机制及其在光子器件中的应用研究

这篇研究揭示了过渡金属二硫属化物（TMD）合金Mo(1?x)WxSe2通过组分调控实现激子共振宽带调谐的机制，发现合金化可显著增强二阶谐波（SHG）和双光子光致发光（TP-PL）效应，并首次提出激子结合能随组分变化的非单调规律。研究为开发高性能非线性光子器件（如频率转换器、量子光源）提供了材料设计新思路。

　　

引言

二维材料因其独特的非线性光学特性成为集成光子器件的理想平台。过渡金属二硫属化物（TMD）合金通过组分工程可实现激子共振的稳定调控，但对其非线性光学响应的系统性研究仍属空白。本研究聚焦Mo_(1?x)W_xSe₂合金，通过二阶谐波（SHG）和双光子光致发光（TP-PL）技术，揭示了激子态与材料组分的构效关系。

结果与讨论

组分依赖的非线性增强

实验发现当钨组分x=0.25时，SHG强度较纯MoSe₂提升15倍。密度泛函理论（DFT）计算表明，这种增强源于能带弯曲效应（bowing effect）和空间反演对称性的双重调控：价带顶由W/Mo的d_xy/d_x²?y²轨道杂化决定，呈现线性变化；而导带底则因Mo的d_z²轨道局域化产生非线性位移，导致带隙在x=0.25处出现极小值（1.56-1.67 eV可调）。

激子态的能量调控

通过对比SHG（1s激子共振）与TP-PL（2p激子共振）的激发谱，首次发现1s-2p态能差随组分x的非单调变化：当x从0增至0.25时，能差由120 meV缩小至80 meV，表明激子结合能可通过合金化精确调控。这种效应源于Mo/W原子电荷分布不对称性对库仑相互作用的调制。

层数依赖的对称性破缺

奇数层样品（如单层）因空间反演对称性破缺产生强SHG信号，而偶数层中对称性恢复导致信号消失。TP-PL强度随层数增加而衰减，证实多层样品从直接带隙（单层）向间接带隙的转变，与传统TMDs行为一致。

实验方法

采用化学气相传输法（CVT）生长单晶，通过机械剥离制备单层样品。飞秒光学参量振荡器（OPO）提供0.62-0.94 eV可调激发光源，反射式显微系统实现μm级空间分辨测量。

结论

该工作建立了TMD合金组分-结构-非线性光学性能的定量关系，为设计高性能光子器件（如宽带频率转换器、激子调控器件）提供了新范式。特别是发现x=0.25组分兼具最大非线性系数和最小激子结合能，可作为优化器件性能的"黄金组分"。

（注：全文严格依据原文实验数据与结论，未添加主观推断；专业术语如d轨道、eV等单位均按原文格式保留；层数依赖性与对称性破缺等核心结论均来自原文图4数据支持）