衬底对MoSe2的二次谐波强度的影响

(上饶师范学院 物理与电子信息学院，江西 上饶 334001)

衬底对MoSe2的二次谐波强度的影响

曾建华，何清，陶智明，桑志文，常山，何鹏浩

(上饶师范学院 物理与电子信息学院，江西 上饶 334001)

采用时域有限差分法研究了SiO2/Si衬底、Au/SiO2衬底、SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上MoSe2的反射、透射、吸收和二次谐波增强因子随厚度的依赖关系。计算了各种介质-金属衬底上MoSe2的电场分布曲线，结果表明块体MoSe2的二次谐波的增强主要源于介质-金属衬底诱导的电场局域效应，并由薄膜干涉原理进行了解释。通过反射谱的模拟计算出了Au/SiO2衬底、SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上16 nm 和9 nm MoSe2的色品坐标，便于实验中对样品的表征。理论计算结果预示着MoSe2与MoS2一样也能用来在实验上实现光信息存储。

时域有限差分法；介质-金属衬底；MoS2；二次谐波

近年来，二维材料由于其独特的结构和优异的性能引起了人们的广泛关注和深入研究。除了石墨烯，包括二硫化钼(MoS2)和二硒化钼(MoSe2)在内的过渡金属硫族化物(TMDS)更是引起了研究人员的广泛兴趣[1-7]。目前，TMDS的物理性质，特别是机械、电子和光学等性质得到了深入的研究，它在逻辑电路[8]、集成电路[9]、柔性电子[10]、光电子学和光子学[11-12]等领域的潜在应用也不断被开发。与TMDS的线性光学性质相比，其非线性光学性质的研究则比较少，而非线性光学响应在许多使用超快激光脉冲的光子学应用中非常重要。理论上，偶数层和体材料TMDS由于结构中心对称不存在二阶非线性光学效应，奇数层TMDS由于中心对称性的破坏具有明显的二阶非线性光学效应，尤其是单层TMDS的二次谐波(SHG)非常强[13-14]。本文主要采用时域有限差分法(FDTD)研究了SiO2/Si衬底、Au/SiO2衬底、SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底对MoSe2的SHG强度的影响，通过计算SHG增强因子随厚度的依赖关系，找出电场局域效应最佳的MoSe2厚度，从理论上预示MoSe2也可用来实现光信息存储。

1 模拟计算方法

在模拟计算过程中，不同厚度的MoSe2被分别设计到覆盖有300 nm氧化层的SiO2/Si衬底、镀有50 nm金膜的Au/SiO2衬底、镀有20 nm SiO2-SnO2层和50 nm银膜的SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上，其中SiO2-SnO2层是折射率为1.7的薄膜。

采用FDTD技术计算得到不同MoSe2厚度结构的反射谱和一维电场分布曲线，再通过反射谱获得不同MoSe2厚度结构的色品坐标，以便实验研究人员能通过颜色粗略估计所测样品的厚度，其中色品坐标的计算采用的是蓝光光源光谱。计算SHG增强因子时，采用连续光近似飞秒脉冲激光，考虑色散效应并选用非均匀格子完美匹配边界条件；MoSe2薄膜被分成10等份，因此最小格子的尺寸大小会随MoSe2薄膜厚度而变。设基频光(800 nm)激发下计算得到的电场分布曲线对应MoSe2成分的最大值为X，倍频光(400 nm)激发下计算得到的电场分布曲线对应MoSe2成分的最大值为Y，则SHG增强因子的值为X2与Y的乘积。因为单层和块体MoSe2的光学参量的数值非常接近[15]，所以在模拟过程中不同厚度MoSe2的复数折射率均由文献[16]中块体MoSe2的复数介电常数转换得到。表1是模拟计算中采用的MoSe2、Au、Ag、SiO2、SiO2-SnO2和Si的复数折射率[16-17]。

表1 模拟计算中采用的复数折射率

2 结果与讨论

2.1 MoSe2置于介质-金属复合衬底上产生电场局域的原理分析

SHG的强度可表达为以下关系[18]：

ISHGf4()f2(/2)Iin

(1)

其中ISHG、Iin分别是倍频光和入射光的强度，f() =E()/E0和f(/2) =E(/2)/E0分别是基频光和倍频光的增强因子。我们在计算中选择的激发波长是800 nm，此时MoSe2的虚部接近于0，而400 nm时MoSe2却有较大的复数折射率虚部，如表1。因此，f(/2)不会很大，SHG的强度主要由f()决定。这样，增强SHG的关键问题就是如何在基频光激发下实现电场的强局域。

MoSe2放在金属(Au)-介质(SiO2)衬底上电场的局域可以运用薄膜干涉原理进行分析[19-20]。在基频光800 nm激发下，MoSe2是透明的，吸收主要发生在金膜上。电场局域越强，吸收越大。因为基频光通过金膜的透射非常小，金膜上相应于吸收最大的最强局域电场可以通过使复合结构(MoSe2+衬底)的反射最小来实现。与MoS2类似[17]，基频光入射到MoSe2表面，产生具有相位差 π 的第一次反射光r0。第二次反射光r1产生于金膜，它的相位差决定于金膜和在MoSe2中来回传播的光程。其他反射光ri(i= 2,3，…，n)的情况也是相同的。如果MoSe2的厚度合适，在连续反射后能获得相位差为0的反射光rn，使第一次反射光r0和rn干涉相消，从而实现MoSe2复合结构的反射达到最小。这样，在MoSe2上就会产生很强的局域电场，使SHG得到增强。基频光的吸收主要发生在金属薄膜上，对MoSe2上电场的局域是一个损害，这可以通过在MoSe2和金属薄膜间插入介质层来使金属薄膜上的吸收减小，如SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底。

此外，还有电子与空穴对相互作用、表面等离子激元导致的增强促使介质-金属复合衬底上MoSe2的SHG强度得到明显地提高[21-22]。

2.2 三种衬底上MoSe2的反射、透射、吸收和SHG增强因子随厚度变化的依赖关系

为了理解电场局域的原理、明确反射和电场局域的关系和找出最合适的MoSe2厚度，我们计算了复合结构的反射、透射、吸收随MoSe2厚度变化的关系曲线。Au/SiO2衬底、SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上MoSe2的模拟结果如图1(a)和(b)。从图1(a)能看到最大的吸收对应最小的反射。18 nm MoSe2出现最小的反射，说明它能获得最强的局域电场，SHG增强最大，而考虑400 nm的电场增强因子后Au/SiO2衬底上16 nm MoSe2的电场局域最强[图1(c)]。对于SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底，呈现了类似的反射、透射、吸收随厚度的变化关系，如图1(b)，局域最强的反射最小的厚度是11 nm，考虑400 nm的电场增强因子后却发现9 nm MoSe2的SHG增强因子最大[图1(c)]。从图1(c)显示的在800 nm的基频光激发下三种衬底SHG增强因子的厚度依赖关系可以看到：SiO2/Si衬底，单层MoSe2的SHG最强； Au/SiO2衬底，16 nm MoSe2的SHG最强，强度是SiO2/Si衬底单层MoSe2的5倍；SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底，9 nm MoSe2的SHG最强，强度是SiO2/Si衬底单层MoSe2的26.9倍。文献[23]中MoS2的结果表明，在飞秒激光激发MoS2时，伴随SHG的另外一个非线性光学过程是双光子吸收，双光子吸收中热电子的释放会导致MoS2的温度急剧上升。一旦飞秒激光的激发强度逐渐增大到高于MoS2的烧蚀阈值后，烧蚀现象就会发生。由于双光子吸收和电场的增强是成比例的，MoS2的烧蚀阈值也将和其厚度有密切关系，可以推断17 nm MoS2的烧蚀阈值是最低的。随着烧蚀后MoS2厚度减小，它的SHG就会逐渐减弱，样品颜色也将发生变化，这个现象就能用来实现光信息存储。Au/SiO2衬底上16 nm MoSe2呈现了与17 nm MoS2相似的SHG增强因子的厚度依赖关系，因此根据同样的原理可以预料它也能用来实现光信息存储。

图1 不同衬底上复合结构的反射、透射、吸收和SHG增强因子随MoSe2厚度的变化

2.3 三种衬底上MoSe2的电场分布曲线的计算

为了确证预料到的电场的局域，我们计算了不同衬底上MoSe2的电场分布曲线，如图2所示。图2中d为复合结构中MoSe2的厚度，1L表示厚度为单层；图2中还显示了计算过程中采用的基频光和倍频光激发波长分别为800 nm和400 nm。电场强度增强因子为复合结构电场分布曲线对应MoSe2薄膜的最大值，也显示在图2中。我们计算了Au/SiO2衬底16 nm厚MoSe2的电场分布曲线[图2(b)]，800 nm激发的电场强度增强因子为13.22，远远大于400 nm激发时的0.35，而且比SiO2/Si衬底单层的2.90也要大得多[图2(a)]。表明SHG的增强主要来源于800 nm激发下电场的局域，这可以通过采用介质-金属复合衬底来实现。同样，我们计算了SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上9 nm厚的MoSe2的电场分布曲线[图2(c)]，可以看到，800 nm激发的增强因子增大到21.29，导致了SHG强度5.4倍的提高。说明可以通过设计合适的介质-金属复合衬底来实现SHG较大幅度地增强。

2.4 Au/SiO2衬底和SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上MoSe2的色品坐标的计算

在Au/SiO2衬底和SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上，MoSe2厚度不同，展现的颜色也会不同。我们利用FDTD技术模拟计算了各种衬底上不同厚度MoSe2的反射、透射和吸收光谱，根据反射光谱结合色度学理论得出了相应的色品坐标，这样在实验中通过比较实际观测到的颜色就能粗略判断MoSe2样品的厚度。如图3显示了MoSe2的反射、透射、吸收光谱，其中(a)为计算中采用的MoSe2的复数折射率曲线，(b)和(c)分别为Au/SiO2衬底上16 nm和 SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上9 nm MoSe2的结果。图3(d)显示了依据图3(b)和(c)中的反射谱得出的Au/SiO2衬底上16 nm和 SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上9 nm MoSe2的色品坐标，它们在色品图中的位置分别用圆形和等腰三角形标识，对应的颜色分别为天蓝、道奇蓝。

图3 MoSe2色品坐标的计算和颜色显示

3 结论

采用时域有限差分法研究了SiO2/Si衬底、Au/SiO2衬底、SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上MoSe2的反射、透射、吸收和SHG增强因子随厚度的依赖关系。通常采用的SiO2/Si衬底，单层MoSe2的SHG最强；Au/SiO2衬底，16 nm MoSe2的SHG最强，强度是SiO2/Si衬底单层MoSe2的5倍；SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底，9 nm MoSe2的SHG最强，强度接近SiO2/Si衬底单层MoSe2的27倍。运用时域有限差分法计算了各种介质-金属复合衬底上SHG最强厚度MoSe2的电场分布曲线，结果表明块体MoSe2的SHG的增强主要源于介质-金属衬底诱导的电场的局域，并由薄膜干涉原理进行了分析。通过反射谱的模拟计算出了Au/SiO2衬底、SiO2-SnO2/Ag/SiO2衬底上16 nm 和9 nm MoSe2的色品坐标，便于实验中对样品的表征。理论计算结果预示着MoSe2与MoS2类似也能用来在实验上实现光信息存储。

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Effects of Substrates on Second Harmonic Generation of MoSe2

ZENG Jianhua,HE Qing,TAO Zhiming,SANG Zhiwen,CHANG Shan,HE Penghao

(School of Physics and Electronic Information,Shangrao Normal University,Shangrao Jiangxi 334001,China)

The reflection，tranmission，absorption and enhancement factors for SHG of the MoSe2layers with different thicknesses on SiO2/Si,Au/SiO2and SiO2-SnO2/Ag/SiO2substrates were calculated by using the finite-difference time-domain technique. The electric field distributions inside the MoSe2layers on different substrates were calculated and it was revealed that for thick MoSe2layers the SHG intensity is dominated mainly by the localization of electric field induced by the dielectric-metal hybrid substrates. The localization was analyzed by using the theory of thin film interference. The corresponding chromaticity coordinates of the 16-nm-thick MoSe2layer on the Au/SiO2substrate and the 9-nm-thick MoSe2layer on the SiO2-SnO2/Ag/SiO2substrate were derived to facilitate the characterization of samples in experiments. Theoretical results indicate that MoSe2can also be used to realize optical information storage besides MoS2.

finite-difference time-domain technique;dielectric-metal hybrid substrates;MoSe2;second harmonic generation

2017-09-19

江西省教育厅科技项目(GJJ161052)；上饶师范学院博士科研启动基金(6000108)；上饶师范学院大学生创新训练计划项目(2017-CX-20)

曾建华(1978-)，男，江西宁都人，讲师，博士，主要从事纳米光电子材料与器件的研究。E-mail:zjhndkm@sina.com

O437

A

1004-2237(2017)06-0028-05

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.06.007