首次研制高稳定DUV光调制器，顺手发一篇Nature Nanotechnology！

一、【导读】

双折射是一种基本的光学特性，它可以诱导偏振光的相位延迟。它最初是在1669年由Rasmus Bartholin等人发现，但直到19世纪才被人们进行很好的解释。许多微观生物、天然晶体和人造产物，如变形虫、方解石单晶材料、冰花和液晶（LCs）均具有较大的双折射系数。双折射是几种显示器、光调制器、全息成像仪、光学镊子和偏振导航器的工作原理。例如，在光调制器的环境下，利用外部刺激可以精细和稳定地调谐双折射，使偏振、相位延迟、强度或光谱的连续调制成为可能。调谐液晶的双折射是目前可见光和红外光谱应用中的光操纵的一项核心技术。尽管可调谐双折射在不同的应用领域具有重要意义，但由于常规液晶在深紫外光（DUV，< 350 nm）下的强吸收或不稳定，因而可调谐双折射在这一领域仍不明确。

二、【成果掠影】

近日，清华大学深圳国际研究生院丁宝福研究员、刘碧录副教授、成会明院士等人基于二维六方氮化硼（h-BN），研制了一种稳定的、可调双折射效应的DUV光调制器。二维h-BN具有高达6.5×10^-12 C² J^-1 m^-1的光学各向异性因子，使其磁双折射系数达到8.0×10⁶ T^-2 m^-1，比其他潜在的深紫外透明介质的系数高出约5个数量级。二维h-BN具有超高的磁双折射系数，且在270次循环后功率保留率达到99.7%，显示出了高的稳定性，使其在深紫外光调制器中具有广泛的应用前景。相关研究成果以题为“Magnetically tunable and stable deep-ultraviolet birefringent optics using two-dimensional hexagonal boron nitride”发表在知名期刊Nature Nanotechnology上。

三、【核心创新点】

1、由于二维h-BN具有特殊的形状各向异性、光学和磁性性质，使得h-BN显示出巨大的双折射效应，比其他透明DUV双折射介质高出5个数量级。

2、二维h-BN具有超高的磁双折射系数，且在270次循环后功率保留率达到99.7%，显示出了高的稳定性，

四、【论文掠影】

图一、二维h-BN悬浮液的磁双折射效应

（a-c）二维h-BN的横向尺寸、厚度和体积分布。

（d）二维h-BN LC基磁光器件的工作机理和光学设置示意图。

（e）白光背光填充2.4 × 10^-3 vol% h-BN水溶液悬浮液的比色皿的照片。

（d）不同磁场下TBSI SGC和熊猫图像h-BN悬浮液的图像。

图二、磁场诱导二维h-BN无机LC层的取向和磁双折射

（a）在0.8 T的磁场下，偏振方向平行于（∥）、垂直于（⟂）的二维h-BNLC屏的偏振光透过率。

（b）输出光的偏振态演化。

（c）有无磁场时h-BN层压板的照片。

（d）在0-0.8 T范围内的磁双折射。

（e）在0-0.06 T的低范围内，双折射与磁场平方的关系。

图三、二维h-BN无机LC基DUV调制器的性能研究

（a）UV-C光（266 nm）的开关。

（b）266 nm透射光激发红、绿、蓝荧光染料的光致发光。

（c）266 nm透射光强与0-0.8 T范围内0.2 T间隔的磁场强度的对应关系。

（d）场—强度对应关系的循环测试。

（e）透射DUV光对峰值强度为1.1 T、全宽半最大值为7 ms的磁脉冲响应的瞬态光信号。

（f）DUV稳定性的循环测试。

（g）在各自光谱范围内已被证实稳定的商业化和研发的基于LC的光调制器的对比。

五、【前景展望】

综上所述，研究人员开发了一种二维h-BN无机液晶在透明DUV光调制器中应用。由于二维h-BN具有特殊的形状各向异性、光学和磁性性质，使得h-BN显示出巨大的双折射效应，其他透明DUV双折射介质高出5个数量级。二维h-BN的高双折射系数、高稳定性以及超宽禁带，使其能够制成266 nm深的双折射DUV调制器。考虑到有许多二维材料具有可调的光学性质，二维无机液晶的光谱覆盖范围可能进一步扩大，有益于许多领域、应用的发展，如光刻、高密度数据存储、水净化和生物医学仪器。

文献链接：Magnetically tunable and stable deep-ultraviolet birefringent optics using two-dimensional hexagonal boron nitride (Nature Nanotechnology 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01186-1)