清华大学深圳国际研究生院刘碧录团队及合作者制备出基于二维材料的深紫外双折射水凝胶

透射式深紫外（波长λ<350 nm）双折射元件可在不改变光路的情况下实现深紫外光调制，在日盲区光通信、半导体加工、光刻及生物医学等领域具有重要应用价值。目前，虽然研究人员已开发出一系列深紫外双折射单晶并实现了商业化应用，但受限于固定的双折射值，目前尚难以实现深紫外光信号的动态连续调制，且限制了其在一些新兴领域的应用。液晶材料具有可受外场（电场/磁场/应力）调控的双折射，有望解决这一问题。目前主流液晶器件由有机小分子或高分子构成，在深紫外光照射下吸收率高、材料不稳定，导致器件难以在深紫外波段工作，开发深紫外波段透光率高、双折射可调及紫外光照射下稳定的双折射元件意义重大。

近日，清华大学深圳国际研究生院刘碧录团队及合作者研制出一种基于无机二维材料液晶的光学水凝胶，该水凝胶在深紫外区具有优异的稳定性，并展现出可调的力致双折射效应，实现了深紫外光的连续稳定调制。研究人员首先采用自上而下的离子插层剥离法制备出无机钴掺杂二维氧化钛液晶，该材料具有3.9 eV的宽带隙，在深紫外波段具有高透射率及稳定性，同时还具有极大的几何各向异性与磁各向异性，以及目前报道最高的光学各向异性因子（达1.5× 10–11 C2·J−1·m−1），三者共同赋予其极大的磁场响应灵敏度（Cotton-Mouton系数，达3.9 × 106 T-2·m-1）。研究人员进而发现在1 T以内的低磁场下即可实现二维材料液晶分子的高度有序排列，且这种磁控排列方式具有毫秒级的快速响应、良好的可逆性及循环稳定性。基于此，研究团队在磁场作用下通过光聚合反应将无机二维钴掺杂氧化钛液晶与聚合物基质交联制成水凝胶。该水凝胶保留了二维材料液晶分子的定向排布，对其施加应力，可进一步调控光程及排布程度，从而实现深紫外偏振光相位延迟的连续调控，呈现出动态可调的力致双折射效应。

该工作中，研究人员结合了无机钴掺杂二维氧化钛材料结构可控、磁性可控、光学带隙宽的特征和水凝胶小巧轻便、可精确加工及操控等特性，为透射式、机械操控、连续稳定的深紫外光调制提供了一种可行的原型器件。该研究可为新型深紫外双折射器件的开发提供参考，有望应用在光通信、柔性紫外光学设备及生物医学等领域。

图1 基于无机二维钴掺杂氧化钛液晶的深紫外光调制原理及效果

图2 双折射与磁场强度的对应关系研究分析

图3 无机二维材料液晶毫秒级的快速响应、良好的可逆性、循环稳定性及紫外稳定性

图4 基于无机二维材料液晶水凝胶的力致双折射效应及紫外光调制

相关成果以“基于钴掺杂二维氧化钛的深紫外水凝胶”(Deep ultraviolet hydrogel based on 2D cobalt-doped titanate)为题发表于《光：科学与应用》(Light: Science Applications)上。论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院刘碧录教授、中科院深圳先进技术研究院丁宝福副研究员、西安高新技术研究所蔡伟教授，第一作者为清华大学深圳国际研究生院与西安高新技术研究所2020级联培博士生许友安，论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院2019级博士生黄子阳、代立新博士，中国科学院金属研究所李昺研究员、博士生刘鹏，中科院深圳先进技术研究院成会明院士。该研究得到国家自然科学基金委、军委科技委、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等部门的支持。