光子芯片是未来信息技术的重要方向。传统“光-电-光”转换在光域与电域间反复切换，受限于电子器件带宽、功耗和延迟，在高速、大容量场景中形成瓶颈。全光信号处理利用非线性光子器件实现“光控制光”，是突破这一瓶颈的关键路径，而高效的非线性光学材料是实现全光器件的核心。
二维材料因其原子级厚度、强光场约束和显著非线性响应，被视为片上集成非线性器件的理想材料，且与CMOS兼容光子平台的异质集成潜力突出，可为高速通信、光计算和量子光子学提供关键器件基础。然而，多数二维材料晶体结构高度对称，无法产生二次谐波等关键非线性效应——单层材料尚可产生信号，一旦堆叠至双层，效应即刻消失。这一物理限制长期制约着二维材料在光子芯片中的应用。
近日，湖北九峰山实验室与厦门大学电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院）的研究团队联合提出了一种基于有机-无机范德华异质结的界面偶极调控策略，成功突破了上述瓶颈。相关研究成果以“Interfacial dipolar interactions drive giant second-harmonic generation in 2D organic–inorganic heterostructures”为题，于2026年5月22日正式发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
技术路线：构筑有机-无机异质界面
研究团队选取单层和双层二硫化钨（WS₂）作为研究对象。单层WS₂因结构不对称，天然具备二次谐波产生能力；双层WS₂则完全对称，信号归零。以此作为对照，团队将α-苝（α-perylene）有机分子晶体精准堆叠在WS₂表面，形成有机-无机范德华异质结。α-苝晶体的特点是内部分子排列有序，携带本征的分子偶极矩，且呈现面内各向异性。当它与WS₂接触时，界面处发生电荷重新分布，形成了一个定向的、具有面内方向性的界面偶极场。
图1 a) α-Pe/hBN/WS2 异质结构示意图; b) α-Pe/hBN/WS2 异质结SHG增强机理示意图
核心发现一：两个数量级的非线性增强
在α-苝层的耦合作用下，单层WS₂的二次谐波强度提升了超过两个数量级，等效二阶非线性极化率约为20 nm V⁻¹，这一数值可与传统体块非线性晶体相比拟。偏振分辨测量和理论模拟共同揭示了增强机理：α-苝晶体发挥了“偶极天线”的功能。其有序排列的分子偶极能够高效捕捉激发光能量，并通过偶极-偶极耦合的方式将能量传递给下方的WS₂层。当入射光偏振方向与α-苝晶体的偶极取向一致时，增强效果达到最大。
图2 α-Pe crystal, 1L WS2, and α-Pe/WS2 对SHG增强对比图
核心发现二：中心对称材料中的对称性破缺
更具科学意义的发现来自双层WS₂。本征双层WS₂因中心对称而完全无法产生二次谐波，但在覆盖α-苝晶体后，实验清晰探测到了二次谐波信号。
偏振角度依赖二次谐振波谱和时间分辨光致发光成像谱测量证实了界面偶极场的存在，第一性原理计算进一步揭示了其源于界面处的定向电荷转移。这一界面电场的各向异性有效打破了双层WS₂的面外镜面对称性，从而诱导出了二阶非线性极化率。这意味着，通过纯界面效应，可以在原本不满足对称性条件的材料中实现非线性光学响应。
科学意义与应用前景
本工作的核心创新在于提出了一种具有普适性的界面偶极工程范式，其科学意义与应用价值体现在三个层面：
机制层面：首次揭示并系统验证了界面偶极-偶极相互作用作为非线性光学增强与调控的独立自由度，区别于传统的材料本征非线性优化或简单界面电荷转移机制。
材料层面：证明了通过有机晶体的分子工程设计（偶极大小、方向、各向异性），可实现对界面非线性响应的定向裁剪，突破了二维材料本征对称性的先天限制。
器件层面：该策略为片上集成非线性光子元件的开发提供了新的技术路径。有机分子晶体种类丰富、可溶液加工、兼容柔性衬底，有望与现有半导体工艺融合，应用于微型化频率转换器、纠缠光子源及电光调制器等关键器件。
（来源：九峰山实验室）
