清華新聞網(wǎng)7月4日電 液晶可以在力、熱、磁、電等外界刺激下實(shí)現(xiàn)功能基元的有序排列，從而實(shí)現(xiàn)光調(diào)制，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，尤以基于電光效應(yīng)的液晶器件最為普遍，受到研究人員的廣泛關(guān)注。電光克爾效應(yīng)是最基礎(chǔ)的電光效應(yīng)之一，該效應(yīng)中的克爾系數(shù)可以定量描述電致雙折射與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，反映了液晶功能基元在電場(chǎng)下受控取向的靈敏程度，被認(rèn)為是液晶體系本征性質(zhì)的一種量度。理論預(yù)測(cè)指出，具有本征極化和大幾何各向異性的材料可能具有最高的克爾系數(shù)，是潛在的高靈敏液晶體系。然而，同時(shí)具備上述兩種特征的液晶體系未見(jiàn)報(bào)道，大大限制了液晶科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。因此，尋找和開(kāi)發(fā)具有本征極化和大幾何各向異性的液晶功能基體，理解其構(gòu)效關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電光液晶的性能突破，具有重要的科學(xué)和社會(huì)意義。
針對(duì)上述研究現(xiàn)狀，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄教授團(tuán)隊(duì)在一種古老礦物材料——蛭石中發(fā)現(xiàn)了二維鐵電性，首次報(bào)道了以具有大幾何各向異性的二維鐵電材料為功能基體的無(wú)機(jī)溶致液晶。這項(xiàng)成果是團(tuán)隊(duì)在發(fā)現(xiàn)二維蛭石液晶巨磁光效應(yīng)的基礎(chǔ)上，在無(wú)機(jī)二維材料液晶領(lǐng)域取得的又一新進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，二維蛭石液晶的電光克爾系數(shù)較既往最高值提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，有望革新電光液晶器件的性能。這項(xiàng)成果揭示出一種古老礦物材料在二維下的鐵電新性質(zhì)，開(kāi)發(fā)出無(wú)機(jī)二維鐵電材料液晶新體系，探索了巨電光克爾效應(yīng)和其中的物理機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用驗(yàn)證。這項(xiàng)成果不僅拓寬了液晶科學(xué)的研究?jī)?nèi)涵，為探索電光液晶器件新場(chǎng)景新應(yīng)用帶來(lái)了機(jī)遇，還為理解范德華材料中的鐵電特性，尋找可規(guī)模化、實(shí)用化的二維鐵電材料家族新成員提供了范本。此外，二維蛭石的鐵電特性和液晶光學(xué)研究有望幫助傳統(tǒng)礦物材料行業(yè)找到新的增長(zhǎng)點(diǎn)，走向中國(guó)特色礦產(chǎn)資源“高值化”“功能化”應(yīng)用新階段。
研究人員首先發(fā)現(xiàn)，二維蛭石的水分散液是一種溶致液晶體系。二維蛭石液晶在1.0×103V m-1的橫向電場(chǎng)下即展現(xiàn)出明顯的電光響應(yīng)，工作電場(chǎng)強(qiáng)度低于傳統(tǒng)液晶2~3個(gè)數(shù)量級(jí)（~106V m-1）。定量數(shù)據(jù)揭示，體積分?jǐn)?shù)僅為0.08vol%的二維蛭石分散液具有3.0×10-4m V-2的克爾系數(shù)，高于目前所有已知克爾介質(zhì)（包括各類有機(jī)液晶、無(wú)機(jī)納米液晶等）至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)和理論共同說(shuō)明，該巨電光克爾效應(yīng)可能來(lái)源于二維蛭石的固有電偶極矩，指示二維蛭石可能存在本征鐵電性。
圖1.二維蛭石分散液的液晶學(xué)行為及其電光響應(yīng)
為了更好地理解巨電光克爾效應(yīng)的物理起源，研究人員首先對(duì)二維蛭石的形貌進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)二維蛭石具有2.6μm的平均尺寸和1.7nm的平均厚度，幾何各向異性比（橫向尺寸厚度比）超過(guò)1500。隨后，研究人員利用壓電力顯微鏡和極化測(cè)試等手段共同說(shuō)明，二維蛭石存在極化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，指示二維蛭石具有固有電偶極矩。第一性原理計(jì)算指出，固有電偶極矩及二維鐵電性可能來(lái)源于二維蛭石中因元素取代而產(chǎn)生的空位。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步推導(dǎo)并證實(shí)了二維蛭石液晶中克爾系數(shù)與幾何各向異性比、開(kāi)爾文溫度等參數(shù)之間的依賴關(guān)系。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，二維蛭石液晶代表了一類全新的以二維鐵電材料為基體的無(wú)機(jī)溶致液晶，二維蛭石的大幾何各向異性和固有電偶極矩是該體系巨電光克爾效應(yīng)的成因。
圖2.二維蛭石的形貌與鐵電性
基于上述發(fā)現(xiàn)，研究人員組裝了英寸級(jí)液晶顯示單元，實(shí)現(xiàn)了可交互液晶顯示陣列的規(guī)模集成。該陣列能夠捕捉軟件信號(hào)、人體手勢(shì)等輸入信息實(shí)現(xiàn)字母、數(shù)字等的遠(yuǎn)程顯示，且在戶外穩(wěn)定性、能耗等方面具有優(yōu)異性能。由于二維蛭石液晶具有低功耗、高靈敏度、耐紫外輻照等特點(diǎn)，相應(yīng)器件有望用于戶外大規(guī)模光調(diào)制等應(yīng)用場(chǎng)景。
圖3.基于二維蛭石液晶的原型器件
近日，相關(guān)研究成果以“二維鐵電材料無(wú)機(jī)液晶”（An inorganic liquid crystalline dispersion with 2D ferroelectric moieties）為題，發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）上。
劍橋大學(xué)教授馬尼什·薩瓦拉（Manish Chhowalla）為該論文撰寫(xiě)了亮點(diǎn)評(píng)述 （Research High Light），指出該工作利用二維蛭石礦物材料的大幾何各向異性和本征極化，實(shí)現(xiàn)了克爾效應(yīng)的極限突破，并驗(yàn)證了其用于顯示器件的可行性。馬尼什·薩瓦拉還認(rèn)為，“通過(guò)合理的思考和研究，人們有望在更多眾所周知的古老材料中發(fā)現(xiàn)與技術(shù)緊密相關(guān)的、令人意想不到的新穎特性（Itis possible to take a well-known material such as vermiculite and, by rationally studying its properties, one can uncover unexpected fundamental properties that are also technologically relevant）”。近期，中國(guó)科學(xué)雜志社也以“二維鐵電材料無(wú)機(jī)液晶——古老礦物的‘小材大用’”為題，介紹了該論文所取得的創(chuàng)新成果。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授劉碧錄與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員丁寶福為論文通訊作者。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)直博生黃子陽(yáng)和2020級(jí)碩士生張澤豪為論文共同第一作者。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院博士后張榮杰、2021級(jí)博士生劉家榮、2021級(jí)碩士生武科佑、2021級(jí)碩士生郝與甘、訪問(wèn)學(xué)生許友安，華中科技大學(xué)教授吳夢(mèng)昊和博士生楊柳，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員鐘高闊和任傳來(lái)博士，以及香港理工大學(xué)助理教授馬騰。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省教育廳、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)局、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院、深圳市鵬瑞公益基金會(huì)等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae108
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
