简介
硫化锗（GeS）是一种重要的层状Ⅳ Ⅵ族半导体材料，通常呈灰黑色固体或结晶粉末，具有稳定的晶体结构，在可见光至近红外波段具有良好的光学响应。它具备优异的非线性光学特性，表现出明显的宽带饱和吸收效应，可作为关键光学功能材料用于全光通信领域。基于其三阶非线性光学性能，硫化锗可用于制备全光信号处理器件、全光二极管、光电探测及集成光子器件。
硫化锗的性状
用途
硫化锗薄膜可作为光学薄膜材料，利用其不同相结构带来的折射率差异，应用于光学器件与薄膜材料相关研究领域。例如：分别使用氯化锗和正锗酸乙酯为溶胶-凝胶先驱体，用两种不同的操作步骤制备溶胶，采用旋转涂膜技术在单晶硅片和玻璃基片上制备了硫化锗薄膜。对所获得的样品进行了X射线衍射、远红外和Raman光谱测试，并用扫描电镜观察薄膜形貌。结果表明：采用不同先驱体制备的溶胶-凝胶硫化锗玻璃薄膜其玻璃结构具有差异，并导致薄膜折射率的不同；由GeCl₄所得玻璃薄膜为富锗相，其折射率约为2.8；而由Ge(OC₂H₅)₄所得玻璃薄膜为富硫相，折射率约为2.2[1]。
硫化锗还可作为硫系非晶薄膜的核心组分，用于制备具备高透过率与显著二阶非线性光学效应的功能薄膜材料。例如：用脉冲激光沉积（pulsed laser deposition，PLD）法在玻璃基片上沉积了组分为80GeS₂-15Ga₂S₃-5CdS的硫化锗基硫系非晶薄膜，利用X射线衍射、分光光度计、扫描电镜、场发射扫描电镜、Raman光谱等研究了薄膜的性能和结构。对薄膜进行紫外脉冲激光极化，采用Maker条纹法测试薄膜的二阶非线性光学效应（second harmonic generation，SHG）。结果表明：获得的硫系GeS₂-Ga₂S₃-CdS非晶薄膜表面光滑平整、厚度约为800 nm、透过率高达78%，与靶材相比，薄膜中的缺陷较多。在紫外脉冲激光极化的薄膜中观察到了明显的SHG，强度约为参考石英单晶的两倍[2]。
另外，全光信号处理器件是全光通信网络的关键基础器件，其研发依赖材料的非线性光学特性，全光阈值器、全光波长转化器等器件分别基于三阶非线性光学吸收与四波混频效应。新型二维材料为全光器件集成化提供了可能，探寻高性能三阶非线性材料成为研究重点。研究人员系统研究二维层状硒化锗与硫化锗的三阶非线性光学性能：采用液相剥离制备少层硒化锗纳米片，其在可见至近红外波段具宽带饱和吸收特性，且非线性吸收系数与激光脉宽相关，超快载流子弛豫时间分别为0.54–1.08 ps与52.4–167.2 ps，基于其可饱和吸收特性构建了全光二极管；同时采用液相剥离制备硫化锗纳米片，证实硫化锗具有宽带饱和吸收特性，并测得其非线性折射率n₂～10⁻⁶ cm²/W，硫化锗与硒化锗在纳米光子器件中均具有重要应用潜力[3]。
参考文献
[1] 徐键,夏海平,张约品,等.不同先驱体溶胶-凝胶法制备的硫化锗玻璃薄膜[J].硅酸盐学报, 2004(08):122-125.DOI:10.3321/j.issn:0454-5648.2004.08.026.
[2] 顾少轩,马志军,潘瑞琨,等.脉冲激光沉积硫化锗-硫化稼-硫化镉非晶薄膜的结构和性能[J].硅酸盐学报, 2008.
[3] 唐杰.二维层状硒化锗与硫化锗材料的三阶非线性光学特性研究[D].深圳大学,2020.