近日，中國科學院深圳先進技術研究院（簡稱“深圳先進院”）碳中和研究所低維能源材料中心的成會明院士、丁寶福副研究員團隊與清華大學深圳國際研究生院的劉碧錄教授團隊，中科院半導體所魏大海研究院團隊合作，首次發現了二維六方氮化硼(h-BN)液晶具有巨磁光效應，其磁光克頓-穆頓效應高出傳統深紫外雙折射介質近5個數量級，進而研制出首個穩定工作在深紫外日盲區的透射式液晶光調制器。
最新研究論文以“Magnetically tunable and stable deep-ultraviolet birefringent optics using two-dimensional hexagonal boron nitride”為題，于近期正式發表并出版在Nature Nanotechnology雜志上[1]。丁寶福副研究員、成會明院士和清華大學深圳國際研究生院劉碧錄副教授為共同通訊作者。
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雙折射是引起偏振光相位延遲的一個基本光學參數。有機液晶因其雙折射可受外場連續調制，而被廣泛用作光調制器的核心材料。然而傳統有機液晶在深紫外光照射下吸收強且不穩定，限制了液晶光調制器僅能工作在可見及部分紅外光波段，尚無法工作在紫外及深紫外波段。與此同時，透射式深紫外光調制器在紫外醫學成像、半導體光刻加工、日盲區光通訊等領域具有重要應用前景。因此，尋找一種在深紫外光譜區穩定、透明度高及具有場致雙折射效應的新型液晶材料，有望實現透射式深紫外液晶光調制器從無到有的突破。
六方氮化硼無機二維液晶及其磁控光開關效應
基于上述考慮，團隊成員研制出了一種基于二維六方氮化硼無機液晶的磁光調制器，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（8.0 × 106T-2m-1）、高循環工作穩定性（270次循環工作后性能保留率高達99.7%）和超寬帶隙等優點。所研究的二維六方氮化硼是通過 “自上而下”的高粘度純溶劑輔助研磨法剝離制備而成。由于其超寬的帶隙，二維六方氮化硼液晶在可見、紫外和部分深紫外光譜區具有極高透明度。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了明顯的磁控光開關效應。
六方氮化硼無機二維液晶的磁致排列和磁致雙折射效應表征
團隊成員通過觀察入射光偏振態與磁場作用下液晶透射率關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。在入射光的偏振態被調整為平行和垂直于磁場的兩種狀態下，后者呈現較高的光透射率，間接印證了二維六方氮化硼納米片平行于磁場方向排布。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。結合二維氮化硼納米片的極大的光學各向異性，因此發現了二維六方氮化硼液晶的巨磁致雙折射效應。
基于六方氮化硼無機二維液晶的深紫外光調制器性能研究及對比
該團隊選用波長處于深紫外UV-C日盲區的266 nm激光，測試二維氮化硼液晶在該光譜區的光學調制性能。通過開啟和關閉0.8 特斯拉的磁場，實現了該調制器在深紫外光波段的透明與不透明兩種狀態之間的切換。經過270個不間斷開關循環測試后，性能的保持率高達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制器其光譜覆蓋范圍有望向更短深紫外波段延伸，促進液晶光調制器在深紫外光刻、高密度數據存儲、深紫外光通訊和生物醫療成像重要領域的應用。
該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創委等部門的支持。
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