科學家研制出穩(wěn)定且雙折射可調(diào)的深紫外液晶光調(diào)制器

2024-01-15 09:56:43

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近日，中國科學院院士、中科院深圳先進技術(shù)研究院碳中和技術(shù)研究所(籌)所長成會明與副研究員丁寶福團隊，聯(lián)合清華大學深圳國際研究生院教授劉碧錄團隊、中科院半導體研究所研究員魏大海團隊，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，其磁光克頓-穆頓效應高出傳統(tǒng)深紫外雙折射介質(zhì)近5個數(shù)量級，進而研制出穩(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基本光學參數(shù)。有機液晶因雙折射可受外場連續(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)有機液晶在深紫外光照射下吸收強且不穩(wěn)定，液晶光調(diào)制器僅能工作在可見及部分紅外光波段，無法工作在紫外及深紫外波段。同時，透射式深紫外光調(diào)制器在紫外醫(yī)學成像、半導體光刻加工、日盲區(qū)光通訊等領(lǐng)域頗具應用前景。因此，發(fā)展一種在深紫外光譜區(qū)穩(wěn)定、透明度高及具有場致雙折射效應的新型液晶材料，有望推進透射式深紫外液晶光調(diào)制器的發(fā)展。　　

科研團隊研制出一種基于二維六方氮化硼無機液晶的磁光調(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 × 106T-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99.7%)和超寬帶隙等優(yōu)點，同時二維六方氮化硼是通過“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、紫外和部分深紫外光譜區(qū)具有頗高透明度。在磁場作用下，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)出明顯的磁控光開關(guān)效應。 　　

科研人員通過觀察入射光偏振態(tài)與磁場作用下液晶透射率關(guān)系的實驗揭示了二維六方氮化硼在外場作用下順磁場的排布方式。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方向排布。該研究針對層狀二維六方氮化硼薄膜的磁化率各向異性測試揭示了面內(nèi)易磁化方向，進一步證實了二維六方氮化硼納米片順磁場排布的物理機制。結(jié)合二維氮化硼納米片的極大的光學各向異性，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。 　　

該研究選用波長處于深紫外UV-C日盲區(qū)的266 nm激光，測試二維氮化硼液晶在該光譜區(qū)的光學調(diào)制性能。通過開啟和關(guān)閉0.8特斯拉的磁場，研究實現(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270個不間斷開關(guān)循環(huán)測試后，性能的保持率達99.7%。　　

鑒于二維材料家族成員龐大、帶隙覆蓋寬，基于無機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，促進液晶光調(diào)制器在深紫外光刻、高密度數(shù)據(jù)存儲、深紫外光通訊和生物醫(yī)療成像重要領(lǐng)域的應用。　　

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。研究工作得到國家自然科學基金、科技部、廣東省科學技術(shù)廳、深圳市科技創(chuàng)新委員會等的支持。