刘碧录、成会明、丁宝福团队及合作者制备出二维材料无机液晶深紫外光调制器件

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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团队与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和丁宝福团队、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477 nm和7.5 nm，几何各向异性比约为60 （Aspect ratio，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6 eV），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 × 106 T-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7.0×10-12 C2J-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266 nm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徐浩，论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院许友安、黄子阳、陈少华、兰天姝、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。
       原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01186-1
       文章来源：清华大学
       刘碧录，清华大学-伯克利深圳学院特别研究员、博士生导师。2006年本科毕业于中国科技大学材料化学专业， 2012年获中科院金属研究所材料学博士学位。2012年5月至2016年5月，在美国南加州大学电子工程系从事博士后研究，后任研究助理教授，自2016年6月起加入清华大学-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室。刘碧录教授的主要研究方向是碳纳米管、二维材料等低维半导体材料的生长机理、可控制备及器件应用。共发表学术论文60余篇，论文被引用8000余次，H因子为40。获得国家基金委优秀青年科学基金（2017年）、“中国科学院院长特别奖”等荣誉与奖励。
       成会明，炭材料科学家。中国科学院金属研究所研究员。1963年10月生于四川省巴中市，籍贯四川省蓬安县。1984年毕业于湖南大学化工系，1987年、1992年在中科院金属研究所获硕士和博士学位。主要从事先进炭材料的研究。提出了浮动催化剂化学气相沉积、非金属催化剂化学气相沉积制备碳纳米管等方法，促进了碳纳米管的研究与应用。提出了模板导向化学气相沉积等方法，制备出石墨烯三维网络结构材料、毫米级单晶石墨烯，发展了石墨烯材料的宏量制备技术。提出了可高效储能的层次孔材料设计和电化学电位调控的思路，制备出一系列新型能量转化与储存材料。研制出块体各向同性热解石墨材料，批量应用于多项重点工程。曾获国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科学与技术进步奖、美国碳学会Charles E. Pettinos奖等。