中国团队制备出二维材料无机液晶深紫外光调制器件
光调制技术能够调制光的振幅、频率、相位、偏振状态等参数，被广泛应用于光通信、光存储、光显示等领域。以基于液晶的显示类光调制器件为例，其全球年市场已超过千亿美元。目前，工作在可见光和红外光范围的光调制器件相对成熟，但开发面向紫外及深紫外光的稳定、连续动态透射式光调制技术仍面临诸多挑战，目前尚无相应产品见诸市场。现有的透射式光调制技术中，液晶光调制器主流的功能材料为有机小分子或高分子，其自身对紫外光吸收强烈，且容易发生光分解反应，引起器件稳定性差或失效等问题；另一方面，双折射晶体被广泛使用，但其具有固定的双折射值，难以通过外场对光信号开展动态调控，以上情况严重限制了深紫外光调制技术和器件的发展和应用。
针对以上挑战，清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授团队与清华大学深圳国际研究生院/中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所成会明院士和丁宝福副研究员团队、中国科学院半导体所魏大海研究员合作，利用宽带隙二维六方氮化硼材料，制备出了首个能够稳定、连续动态地调制深紫外光的透射式液晶光调制器件。
研究人员首先通过自上而下剥离的方式制备了二维六方氮化硼纳米片，其横向尺寸和厚度分别为477nm和7.5nm，几何各向异性比约为60（Aspectratio，指二维材料横向尺寸与厚度的比值）。六方氮化硼具有很大的光学带隙（约6eV），这使其在深紫外C波段具有高透光率。研究发现，二维六方氮化硼纳米片的水分散液是一种无机溶致液晶。此外，制备所得二维氮化硼具有磁性，磁场可用于控制二维六方氮化硼纳米片的排布状态，使原本取向无序的纳米片倾向于沿着磁力线的方向排布。这种有序排布状态具有光学各向异性，从而可以通过磁场改变体系的双折射率以实现对光的调制。定量研究发现，表征体系磁光效应灵敏度的比磁光科顿-穆顿系数高达8.0 × 106T-2m-1，较之前报道的紫外光透明介质中的最高值超出5个数量级以上，这主要源于二维结构独特的大几何各向异性比和氮化硼材料大的光学各向异性因子（Δg，达7.0×10-12C2J-1m-1）。基于这些特点，研究人员利用二维氮化硼无机液晶构建出可用于深紫外C波段的透射式液晶光调制器件，该器件能够稳定、连续地调制266nm波长的深紫外光。这项研究有望把在可见光和红外光波段广泛使用的双折射液晶光学器件拓展至深紫外区域，进而用于深紫外光通信、高精度光刻、高密度信息存储、能源与环境等领域。
图1. 二维氮化硼无机液晶及其磁致双折射效应
图2.二维氮化硼在磁场中的排布行为及二维材料无机液晶磁致双折射测量
图3. 二维氮化硼无机液晶深紫外光调制器件性能及其与商用及R&D阶段光调制器的对比
相关研究成果近日以“二维六方氮化硼深紫外稳定磁光调制双折射光学器件”（Magnetically tunable and stable deep-ultraviolet birefringent optics using two-dimensional hexagonal boron nitride）为题发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。
论文共同通讯作者为清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授、清华大学深圳国际研究生院/中科院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所成会明院士和丁宝福副研究员。论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院科研助理徐浩，论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院2020级博士生许友安、2019级博士生黄子阳、博士后陈少华、科研助理兰天姝、科研助理潘意坤和中科院半导体所魏大海研究员。该研究得到国家自然科学基金委、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等部门的支持。
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