以石墨烯（Graphene）為主要代表的二維材料是本世紀(jì)初由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈·蓋姆（A. K. Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（K.S. Novoselov）教授發(fā)現(xiàn)的全新的物質(zhì)材料形態(tài)。與傳統(tǒng)三維材料相比，石墨烯具有超高的載流子遷移率、超高的熱導(dǎo)率、超寬的響應(yīng)波段等優(yōu)異的光電性能，在微電子器件、光電感知、集成光子學(xué)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，石墨烯的非線性光學(xué)特性成為科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)最有潛力的非線性光學(xué)材料之一。
二次諧波（倍頻效應(yīng)）是一種二階非線性光學(xué)效應(yīng)，它的產(chǎn)生需要被探測(cè)材料滿足中心反演對(duì)稱破缺的要求，對(duì)于中心反演對(duì)稱的結(jié)構(gòu)是無(wú)法觀察到二次諧波的。對(duì)材料二次諧波信號(hào)的研究，是獲取原子、分子微觀性質(zhì)信息的重要技術(shù)手段，有助于深入理解光與物質(zhì)相關(guān)作用的過(guò)程。石墨烯具有中心反演對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，不具有二次諧波信號(hào)。如何誘導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)對(duì)其倍頻效應(yīng)特性調(diào)控是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
受鋰電池工作原理的啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所前沿科學(xué)與技術(shù)研究院與新加坡國(guó)立大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)的研究人員合作構(gòu)建了類似于鋰離子電池的石墨烯插層器件。在保持石墨烯二維結(jié)構(gòu)的前提下，將鋰金屬插入石墨烯范德瓦爾斯層間，形成具有超分子結(jié)構(gòu)鋰石墨烯插層材料。鋰金屬的嵌入可以精確調(diào)控石墨烯中電子帶間、帶內(nèi)躍遷過(guò)程以及電子-聲子相互作用過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)石墨烯二次諧波特性可控調(diào)控。研究人員調(diào)節(jié)石墨烯層間鋰離子的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯二次諧波信號(hào)的可控調(diào)控。與傳統(tǒng)的電場(chǎng)調(diào)控、表面摻雜等方法相比，插層調(diào)控具有調(diào)控范圍大，調(diào)控過(guò)程可控、可逆，器件狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)不帶電保持等優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)研究揭示了鋰石墨烯插層材料優(yōu)異的非線性光學(xué)性質(zhì)，作為一種全新的可調(diào)光學(xué)倍頻材料，其將對(duì)先進(jìn)納米光子器件的發(fā)展起到重要作用。在本工作中，作者還展示了厘米量級(jí)樣品的制備。
鋰石墨烯插層材料表征。（a， b）鋰石墨烯插層材料的結(jié)構(gòu)示意圖；（c）鋰石墨烯插層材料器件示意圖；
（d，e）石墨烯插層前后光學(xué)照片；（f）石墨烯插層前（黑色曲線）后（紅色曲線）光學(xué)反射譜
圖2 鋰石墨烯插層材料在不同插層狀態(tài)下的二次諧波信號(hào)
二次諧波信號(hào)的產(chǎn)生表明鋰插層石墨烯材料中具有反演對(duì)稱性破缺現(xiàn)象，有望用于修正鋰插層石墨烯P6/mmm對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的理論模型，對(duì)于理解石墨烯插層材料的新奇物理特性，如超導(dǎo)、電荷密度波等，也具有重要意義。
厘米尺度石墨烯插層材料的制備。
（a）厘米尺度石墨烯插層前、后和脫插的光學(xué)照片；（d）厘米尺度石墨烯插層前（黑色曲線）、后（紅色曲線）和脫插（藍(lán)色曲線）的二次諧波信號(hào)
該工作以“Inversion symmetry breaking in lithium intercalated graphitic materials”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊ACS Applied Materials & Interface（期刊影響因子8.456）。