近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部薄膜光學研發(fā)中心研究團隊在過渡金屬Mo摻雜CdO薄膜(MoxCd1-xO)調控ENZ非線性光學性能方面取得的新進展。相關研究成果以“Tailoring epsilon-near-zero wavelength and nonlinear absorption properties of CdO thin films by Mo doping”為題發(fā)表于Applied Physics Letters。
 

　　CdO作為n型半導體具備其極高的載流子遷移率、低電阻率以及在可見光到近紅外光譜區(qū)域的高透明度，并且光子學領域受到廣泛研究與應用。然而，CdO的ENZ波長位于中紅外波段，在近紅外領域的潛在應用仍有待探索。此外，CdO具有大的靜態(tài)介電常數(shù)，有效減少了電子散射，可以通過各種金屬摻雜劑對CdO光電性能進行調控，即使在高摻雜濃度下也具有高電子遷移率。CdO的卓越電子遷移率和可調諧光電性質確保了其低光學損耗和應用潛力。但是，關于摻雜調控CdO薄膜在近紅外波段ENZ非線性光學響應缺乏進一步的研究，限制了其在基于ENZ效應光電器件的應用。
 

　　本研究通過過渡金屬Mo摻雜調控CdO薄膜的光電性能及ENZ非線性。結果表明，隨著摻雜濃度x的增加，載流子濃度和光學帶隙隨之增加，ENZ波長從中紅外波段2.89μm藍移至在近紅外通信波長1.55μm附近。此外，在正入射情況下，隨著摻雜濃度x增加，非線性響應由反飽和吸收轉變?yōu)轱柡臀?，非線性吸收(NLA)系數(shù)β在1550 nm處從13 cm/GW變?yōu)?72 cm/GW。由于ENZ區(qū)域內的增強機制，非線性吸收系數(shù)β在入射角為60°時進一步增加到?378 cm/GW。該研究利用摻雜手段對CdO薄膜的光電性能和ENZ非線性響應實現(xiàn)了有效調控，并且為CdO在近紅外區(qū)域的光電器件和納米光子學應用提供了理論和實驗基礎。
 

　　該工作獲得了中國科學院特別研究助理資助項目、上海市科委港澳臺合作計劃、中國科學院國際合作局對外合作重點項目的支持。
 

圖 1. MoxCd1-xO薄膜電學性能
 

　　圖 2. (a)MoxCd1-xO薄膜介電常數(shù)色散曲線；(b)MoxCd1-xO薄膜非線性吸收測試結果。