Determining the Dipole Orientation of Second Harmonic Generation in 3R-MoS2 for Enhanced Nonlinear Susceptibility

非线性系统 偶极子 二次谐波产生 方向(向量空间) 材料科学 光电子学 凝聚态物理 纳米技术 分子物理学 化学物理 物理 量子力学 数学 几何学 激光器
作者
Yue Liu,Zhao Yang,Fengfeng Ye,Liang Lei,Tong Zhao,Zhen-Jie Guan,Jierui Fu,Jiapeng Wang,Xiangfu Xie,Ruize Lu,Cheng‐Yan Xu,Liang Zhen,Alfred J. Meixner,Fucai Liu,Gaoyang Gou,Dai Zhang,Yang Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (35): 31882-31893
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c11386
摘要

As an efficient two-dimensional nonlinear optical crystal, 3R-MoS 2 exhibits intrinsic bulk second-order nonlinearity with substantial second harmonic generation (SHG) due to the interfacial charge transfer induced interlayer dipole and intralayer intrinsic asymmetric dipole. However, how these dipoles determine the SHG emission dipole orientation and intensity in 3R-MoS 2 has not been clearly resolved. Here, we accurately determine the coexistence of in-plane and out-of-plane SHG emission dipoles in few-layer 3R-MoS 2 through radial-/azimuthal-polarization excitation SHG measurements and back focal plane (BFP) imaging combined with numerical simulations, where the SHG emission dipole orientation ( Θ ) in real space for 3L, 4L, 5L, and 6L 3R-MoS 2 is determined to be ∼8°, ∼16°, ∼20°, and ∼32°, respectively. The layer-dependent Θ arises from the significant decrease in SHG susceptibility χ 16 (2) with an increasing layer number, which weakens the contribution of the in-plane SHG emission dipole component to the overall SHG response. Moreover, by tailoring the interlayer charge transfer induced dipole via hydrostatic pressure, more than 1 order of magnitude enhancement of SHG susceptibility in few-layer 3R-MoS 2 has been achieved, which originates from the strengthened interlayer charge transfer and interfacial charge rearrangement upon compression. Our findings not only optimize phase-matching conditions via aligning the emission dipoles but also provide a strategy for fine-tuning the nonlinear optical responses in nanophotonic applications.
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