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图 二维六元环材料六方氮化硼液晶的磁光双折射效应及相应器件性能对比
在国家自然科学基金项目（批准号：51920105002、52125309、52188101）等资助下，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、丁宝福团队，中国科学院半导体研究所魏大海团队合作，在深紫外稳定光调制器件方面取得进展，发现了二维材料六方氮化硼纳米片的溶致液晶行为，揭示了其巨磁光双折射效应及其物理起源，制备出能够稳定、连续动态地调制深紫外光的透射式液晶光调制器件。研究成果以“基于二维材料六方氮化硼的稳定磁调制深紫外双折射光学（Magnetically tunable and stable deep-ultraviolet birefringent optics using two-dimensional hexagonal boron nitride）”为题，于2022年8月11日在线发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-022-01186-1。同期，《自然·纳米技术》期刊主编Alberto Moscatelli教授、德国柏林工业大学Michael Kneissl教授在简述文章（Research Briefing）中发表了专家意见。
光调制是对光学信号的强度、频率、偏振状态、相位延迟等参数开展动态控制的技术，现已被广泛应用于光通信和光显示等领域。液晶光调制器是一类基于光双折射效应的器件，在透射式光调制中意义重大，全球的年市场规模已经超过一千亿美元。目前，用于可见光和红外光调制的液晶光调制器相对成熟。然而，商用有机液晶分子在紫外光下可能受照分解，造成器件退化失效，因此面向紫外及深紫外波段的透射式液晶光调制器仍鲜有报道。此外，紫外光双折射晶体虽被广泛用于透射式紫外光调制，但其具有固定的双折射值，难以对光信号开展动态调控。上述挑战阻碍了深紫外光调制技术的发展和动态调制器件的应用。
清华大学/中国科学院联合研究团队利用宽带隙、大光学各向异性的二维六元环材料——六方氮化硼纳米片制备出了首个在深紫外波段可以稳定工作的连续可调制透射式液晶光调制器。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。氮化硼纳米片可以在磁场诱导下沿磁场方向有序排列，进入各向异性状态。如图所示，其有序排列程度，对应了光双折射，可以被磁场动态调控。定量研究揭示了二维六方氮化硼液晶具有巨磁光克顿-穆顿效应，表征体系灵敏度的比磁光克顿-穆顿系数高达8.0 × 106 T-2m-1，较既往在紫外光透明介质中报道的最高值超出5个数量级以上。这种巨磁光效应主要源于二维材料极大的几何各向异性比和氮化硼材料大的本征光学各向异性因子（Δg，达7.0×10-12 C2J-1m-1）。基于上述特点，研究人员利用二维六方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，该器件能够对266 nm波长的深紫外光开展稳定地连续调制。
本工作有望将广泛应用于可见光和红外光波段的双折射光学技术拓展至深紫外领域，未来在深紫外光通信、高精度光刻、高密度信息存储、能源与环境等诸多领域具有重要的应用前景。