近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院碳中和技術(shù)研究所（籌）所長(zhǎng)成會(huì)明與副研究員丁寶福團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授劉碧錄團(tuán)隊(duì)、中科院半導(dǎo)體研究所研究員魏大海團(tuán)隊(duì)，首次發(fā)現(xiàn)了二維六方氮化硼（h-BN）液晶具有巨磁光效應(yīng)，其磁光克頓-穆頓效應(yīng)高出傳統(tǒng)深紫外雙折射介質(zhì)近5個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)而研制出穩(wěn)定工作在深紫外日盲區(qū)的透射式液晶光調(diào)制器。

雙折射是引起偏振光相位延遲的一個(gè)基本光學(xué)參數(shù)。有機(jī)液晶因雙折射可受外場(chǎng)連續(xù)調(diào)制，而被廣泛用作光調(diào)制器的核心材料。然而，傳統(tǒng)有機(jī)液晶在深紫外光照射下吸收強(qiáng)且不穩(wěn)定，液晶光調(diào)制器僅能工作在可見(jiàn)及部分紅外光波段，無(wú)法工作在紫外及深紫外波段。同時(shí)，透射式深紫外光調(diào)制器在紫外醫(yī)學(xué)成像、半導(dǎo)體光刻加工、日盲區(qū)光通訊等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。因此，發(fā)展一種在深紫外光譜區(qū)穩(wěn)定、透明度高及具有場(chǎng)致雙折射效應(yīng)的新型液晶材料，有望推進(jìn)透射式深紫外液晶光調(diào)制器的發(fā)展。

科研團(tuán)隊(duì)研制出一種基于二維六方氮化硼無(wú)機(jī)液晶的磁光調(diào)制器。研究采用的氮化硼二維材料具有極大的光學(xué)各向異性因子（6.5 × 10?12C2J?1m?1）、巨比磁光克頓-穆頓系數(shù)（8.0 × 10?T?2m?1）、高循環(huán)工作穩(wěn)定性（270次循環(huán)工作后性能保留率達(dá)99.7%）和超寬帶隙等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)二維六方氮化硼是通過(guò)“自上而下”的高粘度純?nèi)軇┹o助研磨法剝離制備而成。由于超寬的帶隙，二維六方氮化硼液晶在可見(jiàn)、紫外和部分深紫外光譜區(qū)具有頗高透明度。在磁場(chǎng)作用下，基于二維六方氮化硼液晶的磁光器件在正交偏振片下呈現(xiàn)出明顯的磁控光開(kāi)關(guān)效應(yīng)。

六方氮化硼無(wú)機(jī)二維液晶及其磁控光開(kāi)關(guān)效應(yīng)

科研人員通過(guò)觀察入射光偏振態(tài)與磁場(chǎng)作用下液晶透射率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)揭示了二維六方氮化硼在外場(chǎng)作用下順磁場(chǎng)的排布方式。在入射光的偏振態(tài)被調(diào)整為平行和垂直于磁場(chǎng)的兩種狀態(tài)下，后者呈現(xiàn)較高的光透射率，間接印證了二維六方氮化硼納米片平行于磁場(chǎng)方向排布。該研究針對(duì)層狀二維六方氮化硼薄膜的磁化率各向異性測(cè)試揭示了面內(nèi)易磁化方向，進(jìn)一步證實(shí)了二維六方氮化硼納米片順磁場(chǎng)排布的物理機(jī)制。結(jié)合二維氮化硼納米片的極大的光學(xué)各向異性，研究發(fā)現(xiàn)了二維六方氮化硼液晶的巨磁致雙折射效應(yīng)。

六方氮化硼無(wú)機(jī)二維液晶的磁致排列和磁致雙折射效應(yīng)表征

該研究選用波長(zhǎng)處于深紫外UV-C日盲區(qū)的266 nm激光，測(cè)試二維氮化硼液晶在該光譜區(qū)的光學(xué)調(diào)制性能。通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉0.8特斯拉的磁場(chǎng)，研究實(shí)現(xiàn)了該調(diào)制器在深紫外光波段的透明與不透明兩種狀態(tài)之間的切換。經(jīng)過(guò)270個(gè)不間斷開(kāi)關(guān)循環(huán)測(cè)試后，性能的保持率達(dá)99.7%。

基于六方氮化硼無(wú)機(jī)二維液晶的深紫外光調(diào)制器性能研究及對(duì)比

鑒于二維材料家族成員龐大、帶隙覆蓋寬，基于無(wú)機(jī)超寬帶隙二維材料液晶的光調(diào)制器的光譜覆蓋范圍有望向更短深紫外波段延伸，促進(jìn)液晶光調(diào)制器在深紫外光刻、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、深紫外光通訊和生物醫(yī)療成像重要領(lǐng)域的應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以Magnetically tunable and stable deep-ultraviolet birefringent optics using two-dimensional hexagonal boron nitride為題，發(fā)表在Nature Nanotechnology上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、廣東省科學(xué)技術(shù)廳、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等的支持。

審核編輯：郭婷