研究方向一：低维材料超快非线性光学效应及其调控（ACS Nano, 2020, 14, 10492-10502; Photonics Research, 2020, 8, 1725-1733; Optics Letters, 2020, 45, 2850-2853; Nanoscale, 2019, 11, 2637-2643; Nanoscale, 2017, 9, 4683-4690; Applied Physics Letters, 2015, 107;）
非线性光学器件的发展，对光学材料的超高和超快非线性极化率、制造和集成能力等提出更高要求。传统非线性光学材料的非线性光学性质及其目前的制造、集成技术面临巨大挑战。光生载流子动力学、光学自相位调制和非线性光学性能调控成为目前凝聚态物理、新能源技术和纳米光子信息技术等领域的前沿热点问题。
图一 低维材料超快非线性光学
研究方向二：虚空之美：原子层厚度超构表面光场调控（Nano Letters, 2020, 20, 7811；Nanoscale, 2021, 13, 9031; Nano Research, 2021, DOI:10.1007/s122 74-021-3979-6）
光学超构表面通过构建等离子体或全介质的超构结构单元，为实现光的相位、振幅、频率调控提供可调谐、紧凑型的平台。尽管构建亚波长等离子体激元和全介质纳米天线是实现亚波长尺度光场调控的有效途径。然而，由于光学调控基本原理的限制，超构光学元件的厚度仍限制在数百乃至数十纳米厚度，在可见光波段实现超薄结构乃至原子层厚度超构表面光场调控依然面临挑战。在光场调控应用中，通过合理的设计超构表面构建光学反射奇异点能够实现典型的Heaviside型光学相位突变，从而使跨越奇点的结构单元表现出显著的相位延迟,这就使得在原子层厚度超构表面实现有效的光场调控成为可能，并具有广阔而诱人的发展空间。
图二 二维材料超构表面及全息成像应用
研究方向三：二维材料生物光子学：肿瘤光治疗和纳米载药（Advanced Functional Materials, 2020, 2003338; Bioactive Materials, 2021, DOI: 10.1016/j.bioactmat.2021.12.011; Chemical Society Review, 2021, 50, 9152-9201; Coordination Chemistry Reviews, 2019, 400, 213041.）
基于纳米材料的肿瘤光治疗以无创方式有效消除癌细胞。主要包括光热治疗（Photothermal therapy,PTT）和光动力学治疗（Photodynamic therapy, PDT）等。PTT是利用具有较高光热转换效率的材料，将其注射入人体内部，利用靶向性识别技术聚集在肿瘤组织附近，并在外部光源的照射下将光能转化为热能来杀死癌细胞的一种治疗方法。PDT是在在氧元素存在的情况下，利用特定波长的光激活光敏剂，产生对肿瘤细胞具有毒性的自由基从而造成细胞损坏，达到消除肿瘤组织的的治疗方法。光治疗的过程中光敏剂是实现光热治疗的关键因素。基于纳米材料开发理想PTT光敏剂仍面临一些挑战，例如光敏剂光热转化效率低、肿瘤滞留情况不理想等。二维材料往往具有超大的比表面积、高光热转化效率和良好的生物相容性等等一系列适合光治疗的优异属性，因此它是用于开展光治疗和药物输送的理想载体。
图三 低维材料生物光子学及光热诊疗应用