清華新聞網(wǎng)11月4日電 光調(diào)制技術(shù)能夠調(diào)制光的振幅、頻率、相位、偏振狀態(tài)等參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于光通信、光存儲(chǔ)、光顯示等領(lǐng)域。以基于液晶的顯示類(lèi)光調(diào)制器件為例，其全球年市場(chǎng)已超過(guò)千億美元。目前，工作在可見(jiàn)光和紅外光范圍的光調(diào)制器件相對(duì)成熟，但開(kāi)發(fā)面向紫外及深紫外光的穩(wěn)定、連續(xù)動(dòng)態(tài)透射式光調(diào)制技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，目前尚無(wú)相應(yīng)產(chǎn)品見(jiàn)諸市場(chǎng)?，F(xiàn)有的透射式光調(diào)制技術(shù)中，液晶光調(diào)制器主流的功能材料為有機(jī)小分子或高分子，其自身對(duì)紫外光吸收強(qiáng)烈，且容易發(fā)生光分解反應(yīng)，引起器件穩(wěn)定性差或失效等問(wèn)題；另一方面，雙折射晶體被廣泛使用，但其具有固定的雙折射值，難以通過(guò)外場(chǎng)對(duì)光信號(hào)開(kāi)展動(dòng)態(tài)調(diào)控，以上情況嚴(yán)重限制了深紫外光調(diào)制技術(shù)和器件的發(fā)展和應(yīng)用。
針對(duì)以上挑戰(zhàn)，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院/中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院碳中和技術(shù)研究所成會(huì)明院士和丁寶福副研究員團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所魏大海研究員合作，利用寬帶隙二維六方氮化硼材料，制備出了首個(gè)能夠穩(wěn)定、連續(xù)動(dòng)態(tài)地調(diào)制深紫外光的透射式液晶光調(diào)制器件。
研究人員首先通過(guò)自上而下剝離的方式制備了二維六方氮化硼納米片，其橫向尺寸和厚度分別為477nm和7.5nm，幾何各向異性比約為60（Aspectratio，指二維材料橫向尺寸與厚度的比值）。六方氮化硼具有很大的光學(xué)帶隙（約6eV），這使其在深紫外C波段具有高透光率。研究發(fā)現(xiàn)，二維六方氮化硼納米片的水分散液是一種無(wú)機(jī)溶致液晶。此外，制備所得二維氮化硼具有磁性，磁場(chǎng)可用于控制二維六方氮化硼納米片的排布狀態(tài)，使原本取向無(wú)序的納米片傾向于沿著磁力線(xiàn)的方向排布。這種有序排布狀態(tài)具有光學(xué)各向異性，從而可以通過(guò)磁場(chǎng)改變體系的雙折射率以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制。定量研究發(fā)現(xiàn)，表征體系磁光效應(yīng)靈敏度的比磁光科頓-穆頓系數(shù)高達(dá)8.0 × 106T-2m-1，較之前報(bào)道的紫外光透明介質(zhì)中的最高值超出5個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這主要源于二維結(jié)構(gòu)獨(dú)特的大幾何各向異性比和氮化硼材料大的光學(xué)各向異性因子（Δg，達(dá)7.0×10-12C2J-1m-1）?；谶@些特點(diǎn)，研究人員利用二維氮化硼無(wú)機(jī)液晶構(gòu)建出可用于深紫外C波段的透射式液晶光調(diào)制器件，該器件能夠穩(wěn)定、連續(xù)地調(diào)制266nm波長(zhǎng)的深紫外光。這項(xiàng)研究有望把在可見(jiàn)光和紅外光波段廣泛使用的雙折射液晶光學(xué)器件拓展至深紫外區(qū)域，進(jìn)而用于深紫外光通信、高精度光刻、高密度信息存儲(chǔ)、能源與環(huán)境等領(lǐng)域。
圖1. 二維氮化硼無(wú)機(jī)液晶及其磁致雙折射效應(yīng)
圖2.二維氮化硼在磁場(chǎng)中的排布行為及二維材料無(wú)機(jī)液晶磁致雙折射測(cè)量
圖3. 二維氮化硼無(wú)機(jī)液晶深紫外光調(diào)制器件性能及其與商用及R&D階段光調(diào)制器的對(duì)比
相關(guān)研究成果近日以“二維六方氮化硼深紫外穩(wěn)定磁光調(diào)制雙折射光學(xué)器件”（Magnetically tunable and stable deep-ultraviolet birefringent optics using two-dimensional hexagonal boron nitride）為題發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。
論文共同通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院/中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院碳中和技術(shù)研究所成會(huì)明院士和丁寶福副研究員。論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院科研助理徐浩，論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)博士生許友安、2019級(jí)博士生黃子陽(yáng)、博士后陳少華、科研助理蘭天姝、科研助理潘意坤和中科院半導(dǎo)體所魏大海研究員。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-022-01186-1
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：呂婷
