近日，我校电子信息工程学院罗宇教授团队联合新加坡南洋理工大学王岐捷教授和伦敦帝国理工学院Robert T. Murray教授在国际顶刊《Science Advances》上发表了一项突破性研究成果，成功利用黑磷（Black Phosphorus, BP）及其混合等离子体超表面（BPM），在中红外波段实现了宽带高效的三次谐波生成（Third-Harmonic Generation, THG），其转换效率创下历史新高。这一突破不仅填补了中红外非线性光学材料的性能空白，更为下一代超快光子器件、频率转换技术及集成光子学开辟了全新路径。王岐捷教授、罗宇教授和Robert T. Murray教授为该论文的通讯作者；我校朱松教授为论文的第一作者。

中红外的“暗区”挑战与黑磷的崛起

中红外光（3-8微米）因其独特的分子指纹识别能力，在环境监测、生物医学成像和量子技术中至关重要。然而，传统材料如锗或相变材料受限于低效的非线性响应和窄带宽，难以满足实际需求。近年来，二维材料虽在可见光与近红外领域大放异彩，但中红外波段的非线性光学性能始终未能突破——石墨烯等材料因原子级厚度导致光-物质作用体积过小，而其他二维材料则面临带隙不匹配或稳定性问题。

黑磷的登场改变了这一局面。这种层状范德华材料具有独特的可调带隙：从单层的1.8 eV（可见光）到块体的0.34 eV（中红外），完美覆盖中红外光子能量需求。理论预测表明，其强各向异性晶体结构（扶手椅方向AC与锯齿方向ZZ）可能激发超高非线性响应，但如何将这一潜力转化为实际性能，仍是悬而未决的难题。

图1.黑磷与混合表面等离子体超表面。

黑磷的本征突破：从理论到实验的飞跃

研究团队首先揭示了黑磷在中红外的非凡本性。通过精密实验，他们测得黑磷在3000-5000 nm波段的三阶非线性磁化率（χ³）超过10⁻¹⁸ m²/V²，并在5000 nm处达到峰值1.55×10⁻¹⁷ m²/V²，较传统二维材料（如二硫化钼）提升1-2个数量级。在4000 nm激发下，黑磷的THG转换效率高达1.4×10⁻⁵，较单层石墨烯（3100 nm）提升六个数量级，创下二维材料新纪录。

这一突破的物理根源在于黑磷的多光子共振机制。其能带结构中，带间跃迁（电子从价带跃迁至导带）与带内跃迁（导带内电子能级跃迁）协同作用，当入射光子能量接近带隙的1/2或1/3时，非线性响应显著增强。这一现象在5000 nm处达到顶峰，与密度泛函理论计算结果高度吻合。

图2.黑磷优异的中红外非线性光学性能。

超表面设计：让光“聚焦”于纳米舞台

尽管黑磷性能卓越，其原子级厚度仍限制了光-物质相互作用。为此，团队创新性地设计了黑磷混合等离子体超表面（BPM）。该结构由三部分组成：底部150 nm金反射层、含黑磷的介质层（覆盖7 nm氧化铝保护层）以及顶部金纳米天线阵列。通过精确调控天线尺寸（长度480 nm、宽度198 nm）与间隙（30 nm），超表面在中红外波段激发局域表面等离子体共振，将光场压缩至纳米尺度。

实验与仿真表明，金纳米天线间隙处的电场增强达67倍，而黑磷表面的横向电场（沿AC方向）提升14倍。这种“双增强”机制大幅扩展了有效相互作用体积，使THG信号强度较纯黑磷提升170倍（3500 nm），最终转换效率飙升至6.5×10⁻⁴，较现有最优超表面性能提升超一个量级。更令人瞩目的是，该结构在3000-4000 nm范围内展现宽带增强特性，且通过调节天线几何参数可灵活调谐共振波长，为定制化应用铺平道路。

图3.黑磷混合等离子体超表面增强非线性。

极端各向异性：解锁偏振调控新维度

黑磷的晶体结构赋予其强烈的光学各向异性，而这一特性在超表面加持下被推向极致。实验发现，当激发光偏振沿黑磷的AC方向时，THG强度较ZZ方向增强50倍（3500 nm）。这种“极端偏振选择性”源于其三阶非线性张量的主导分量χ₁₁（对应AC方向），而ZZ方向的分量χ₂₂在长波长下几乎可忽略。研究团队进一步通过角度分辨THG测量，重构了χ₁₁、χ₁₂和χ₂₂的波长依赖性，揭示了多光子共振对张量分量演化的调控机制。这一发现为开发偏振敏感的光子器件（如定向光开关或各向异性探测器）提供了理论基石。

图4.黑磷的极端偏振各向异性特性。

从实验室到现实：应用蓝图徐徐展开

研究团队通过系统的实验验证了技术的实用性。厚度优化实验表明，黑磷在90 nm厚度时THG强度达到峰值（4000 nm激发），与理论预测的950 nm相干长度完美匹配。超表面器件的稳定性测试显示，氧化铝封装层可有效防止黑磷氧化，确保器件在空气中长期工作。

这项技术的应用前景覆盖多个领域：

分子传感：中红外THG可直接探测分子振动共振，结合黑磷的高效率，可开发便携式光谱仪，实时检测大气污染物或疾病标志物。

集成光子学：超表面的小型化与高非线性响应为片上光频转换、超快调制器及量子光源提供理想平台，有望推动光计算与通信技术的革新。

智能成像：利用偏振各向异性，可设计具备方向分辨能力的红外显微镜，用于生物组织病理分析或纳米材料缺陷检测。

频率梳技术：高效THG为中红外光学频率梳的生成提供新方案，助力光学原子钟与精密引力波探测。

未来：黑磷光子学的星辰大海

研究团队表示，下一步将聚焦三大方向：开发可动态调谐的超表面结构、探索黑磷在四波混频等复杂非线性过程中的潜力，以及推动黑磷的大规模稳定制备。业内专家评价称，此项研究不仅实现了“材料-结构”协同创新的范式突破，更揭示了二维材料在中红外的非线性物理新机制。随着封装技术与纳米加工精度的提升，黑磷-BPM系统或将在五年内走向产业化，重新定义中红外光电子技术的边界。

  https://doi.org/10.1126/sciadv.adt3772