本文是一篇题为《Ultrafast Photonics Applications of Emerging 2D-Xenes Beyond Graphene》的综述论文，由Huanian Zhang、Shuo Sun、Xinxin Shang、Bo Guo、Xiaohui Li、Xiaohan Chen、Shouzhen Jiang、Han Zhang*、Hans Ågren、Wenfei Zhang、Guomei Wang、Cheng Lu和Shenggui Fu共同撰写，发表于期刊《Nanophotonics》2022年3月25日的第11卷第7期。该综述聚焦于超快光子学领域中新兴的单元素二维材料（Xenes），系统总结了其在激光器应用中的最新研究进展，并对未来发展提出了展望。

作者及研究背景

作者团队来自中国多所高校及研究机构，包括山东理工大学物理与光电工程学院、深圳大学物理与光电工程学院、山东师范大学物理与电子学院等。Han Zhang为通讯作者，单位涉及山东瑞信单模激光技术有限公司和深圳大学。综述的研究背景基于超快激光技术的快速发展，以及新型二维材料（如石墨烯）在光子学领域的广泛应用。然而，石墨烯的零带隙结构限制了其在强光-物质相互作用场景中的应用，促使研究者探索其他具有可调谐带隙和优异光电特性的二维材料（如Xenes）。

主要研究内容

1. Xenes的制备与表征
   Xenes（单元素二维材料）是指从IIIA到VIA族元素构成的单原子层材料（如硅烯silicene、锗烯germanene、磷烯phosphorene等）。论文详细介绍了其制备方法：

   • 自上而下法：包括机械剥离（mechanical exfoliation）和液相剥离（liquid-phase exfoliation, LPE），后者通过超声辅助分散块体材料获得纳米片。
     
   • 自下而上法：如化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）和脉冲激光沉积（PLD），可精确控制层数但成本较高。
     材料的表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱（Raman）等，以确保其层状结构和光电性能。
     

2. 非线性光学特性
   Xenes具有显著的可饱和吸收（saturable absorption, SA）效应和光学克尔效应（optical Kerr effect），可通过Z扫描（Z-scan）技术测量其非线性吸收系数和折射率。例如：

   • 硅烯在532 nm激光激发下表现出低饱和强度（6.9 GW/cm²）和高双光子吸收系数。
     
   • 碲烯（tellurene）在1550 nm波段调制深度达27%，适用于超快激光调制。
     这些特性源于其独特的能带结构（如层数依赖的带隙可调性）和保罗阻塞（Pauli blocking）效应。

3. 集成策略与器件设计
   研究者开发了多种将Xenes集成到激光器中的方法：

   • 可饱和吸收镜（SAM）：将材料薄膜转移至反射镜基底，但制备复杂。
     
   • 光纤端面镀膜：简单易行，但易受高功率损伤。
     
   • 锥形光纤（tapered fiber）或D型光纤：利用倏逝场增强非线性相互作用，提高损伤阈值。例如，基于碲烯的锥形光纤SA实现了1030 fs的超短脉冲输出。

4. 超快激光应用
   Xenes在被动调Q（Q-switched）和锁模（mode-locked）激光器中表现优异：

   • 调Q激光器：如锑烯（antimonene）在2 μm波段实现脉宽48.33 ns、单脉冲能量15.95 μJ的输出。
     
   • 锁模激光器：铋烯（bismuthene）在1561 nm波段产生193 fs的孤子脉冲，黑磷（BP）在2.8 μm中红外激光器中实现42 ps脉宽。
     此外，Xenes还可支持多波长、谐波锁模和孤子分子等复杂动力学现象，如碲烯/黑磷异质结在1.0–2.8 μm波段展示了宽带可饱和吸收特性。

未来挑战与展望

尽管Xenes在超快光子学中展现出巨大潜力，但仍面临以下挑战： 1. 材料稳定性：部分Xenes（如磷烯）易氧化，需优化封装技术。
2. 制备一致性：现有方法（如LPE）难以精确控制层数和尺寸分布。
3. 器件集成：需开发低成本、高可靠性的光纤兼容工艺。
未来研究方向包括探索新型Xenes异质结、拓展至太赫兹或紫外波段，以及结合人工智能优化器件设计。

论文的价值与亮点

1. 系统性总结：首次全面梳理了Xenes在超快激光中的应用，填补了石墨烯与其他二维材料间的技术空白。
   
2. 跨学科参考：为材料科学、光子学和激光工程领域的交叉研究提供了理论框架和实践指南。
   
3. 前瞻性观点：提出Xenes在生物医学、能源存储等领域的潜在应用，如利用其超高比表面积开发新型光电器件。
   

重要发现

• 宽带响应：Xenes的带隙可调性使其覆盖紫外至中红外波段（如碲烯在10 μm仍具可饱和吸收）。
  
• 高性能指标：铋烯SA的恢复时间仅为亚皮秒级，优于传统半导体可饱和吸收镜（SESAM）。
  
• 新物理现象：在Xenes基激光器中首次观测到暗孤子（dark soliton）和孤子分子（soliton molecule）等非线性效应。
  

该综述不仅为超快光子学领域的研究者提供了关键参考资料，也为二维材料的产业化应用指明了方向。