外延氮化钛衬底增强硒化铟光致发光与二次谐波产生的界面驱动机制研究

《Advanced Optical Materials》：Interface-Driven Enhancement of Photoluminescence and Second-Harmonic Generation in InSe on Epitaxial TiN

（编辑推荐）本研究创新性地利用外延生长的高质量氮化钛（TiN）作为反射基底，显著增强了二维材料硒化铟（InSe）的光致发光（PL）和二次谐波产生（SHG）效应。与金（Au）和二氧化硅（SiO2）衬底相比，TiN使InSe的SHG转换效率提升450倍（达2.5×10?7），PL强度增强27倍，其高反射率与热稳定性为二维材料光子器件提供了理想平台。

　　

引言

近年来，二维范德华（vdW）材料因其独特的物理化学性质成为研究热点。其中，γ相硒化铟（γ-InSe）因其非中心对称晶体结构（R3m空间群）和超高二阶电极化率（χ⁽²⁾），在非线性光学领域展现出巨大潜力。然而，原子级厚度限制了其与光的相互作用长度，亟需通过衬底工程实现性能突破。

结果与讨论

光学性能的显著增强

研究团队采用分子束外延（MBE）制备的50 nm氮化钛（TiN）薄膜作为反射基底，其表面粗糙度低于0.26 nm，在>600 nm波段反射率超90%。与SiO₂衬底相比，40-50 nm厚InSe在TiN上的SHG强度提升约450倍，转换效率达2.5×10^?7，且信号范围突破吸收边100 nm以上。更引人注目的是，InSe/TiN的PL强度较SiO₂提升27倍，远超Au衬底的2.6倍，这与典型过渡金属二硫族化物（TMD）在金属上的PL淬灭现象形成鲜明对比。

界面作用的独特性

通过对比单层WS₂与InSe的PL行为，发现WS₂在金属衬底上普遍存在淬灭效应，而InSe却呈现反常增强。尽管TiN功函数（4.1-4.7 eV）与InSe（4.2-5.0 eV）匹配，但Al₂O₃介电层插入反而降低PL强度，表明InSe/TiN界面存在特殊的弱轨道杂化作用。拉曼光谱显示，InSe的特征峰（A_1g¹、E_2g¹）在TiN上强度提升2.4倍，但峰位不变，证实其本征振动特性未受金属影响。

非线性光学响应的机制

SHG偏振测试显示六重对称性，符合γ-InSe的晶体对称性。时域有限差分（FDTD）模拟揭示，TiN的高反射率使InSe层内电场显著增强，导致光学吸收效率提升。对于50 nm InSe，电场增强与体/表面非线性贡献（|S+B|²）的协同作用，在920 nm处产生350倍的共振增强。值得注意的是，InSe/TiN的SHG增强谱宽远超SiO₂衬底，尤其在吸收边外仍保持高效转换，这得益于TiN在440 nm即开启的高反射窗口（早于Au的520 nm）。

实验方法

InSe薄层通过机械剥离法转移至衬底，结合原子力显微镜（AFM）和反射谱确定厚度。PL测试采用400 nm飞秒激光激发，SHG测量使用700-1060 nm可调谐光源。TiN的光学常数通过可变角光谱椭偏仪（VASE）标定，FDTD模拟中InSe复折射率设为3.4+i0.05（基频）和2.65+i(0.5-0.8)（倍频）。

结论与展望

该工作揭示了TiN衬底通过界面电场增强效应，同步优化InSe的线性和非线性光学响应。相较于传统金、银衬底，TiN兼具高熔点（≈3000°C）、CMOS工艺兼容性等优势，为二维材料光电器件的集成化提供了新思路。未来可进一步探索InSe/TiN界面的电荷转移机制，以及其在超快调制、片上频率转换等领域的应用潜力。