清华-伯克利深圳学院团队发文提出二维材料的巨磁光克顿-穆顿效应

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7月24日，清华-伯克利深圳学院刘碧录、成会明团队与英国曼彻斯特大学诺贝尔物理奖得主安德烈•盖姆团队合作在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上在线发表了题为《二维材料分散液的巨磁致双折射效应及磁控变色》（Giant magneto-birefringence effect and tuneable colouration of 2D crystal suspensions）的研究论文。
       该研究提出了一种基于宽带隙磁性二维材料的双折射液体的制备方法，所制备的掺钴二维钛氧化物晶体分散液呈现了巨磁致双折射效应，其磁光克顿-穆顿系数达1400T-2m-1，高出传统双折射液体近两个量级。同时，本研究还从理论上阐释了可调制透明干涉色出现的光学基础是双折射液体对偏振光的相位差调制需达到3π以上。本研究中的二维晶体分散液因同时具有高透光率及巨磁致双折射效应，故而在较低磁场下（<0.8T），实现了对偏振光的大相位调制（8π）。因此，基于磁调控的透明干涉色现象被首次报道，其峰值波长在可见光范围内呈现了双周期循环。本研究采用的掺钴二维钛氧化物材料可以拓展至其他宽带隙磁性二维材料体系，以及透明铁磁液晶体系。该工作加深了研究人员对磁光克顿-穆顿效应机理的认识，在拓展二维材料在光学调制、生物医学、探测监测等领域的应用方面具有一定的指导意义。
       当前，以传统有机液晶为代表的双折射液体因具有极大的电光科尔效应（Δn=KλE2，Δn为双折射率，λ为波长，K为电光科尔系数，E为电场强度）而被广泛应用于各种光电器件中，如液晶显示、调色器、智能门窗等。相比于电驱动，磁驱动具有一系列独特的优势，如与材料无接触、场区均匀、对材料无破坏及零能耗等。然而相较于有机液晶的电光科尔效应，大多数传统的双折射液体，其磁光克顿-穆顿效应（Δn=CλB2，C为磁光克顿-穆顿系数，B为磁场强度）十分微弱，所需磁场驱动较高，通常需达到几个特斯拉的强度，而该强度只能由成本高昂、高能耗、体积巨大的超导磁体才能提供，因此无法满足实用化的需求。另一方面，基于铁流体的双折射液体，因其具有超灵敏的磁响应而被发现具有巨磁光克顿-穆顿效应，有望满足低磁场驱动液晶的基本需求，然而铁流体颗粒对可见光的吸收十分强烈，极大地限制了光程。考虑到偏振光相位差的产生是由双折射率和光程的乘积所共同决定的，因此高光学吸收导致了铁流体双折射液体无法实现针对偏振光的大相位调制。因此，开发一种兼具高透明和大磁光克顿-穆顿效应的双折射液体，是实现液晶光调制功能从电场驱动迈向磁场驱动的前提。与此同时，磁性二维材料的快速发展为突破该瓶颈带来了重大希望。这是因为磁性二维材料具有极大的几何各向异性，以及与之紧密关联的大磁学各向异性和光学各向异性。
      本文正是基于该想法，采用了一种以磁性元素钴掺杂的二维钛氧化物纳米片为代表的宽带隙磁性二维材料做双折射液体的活性材料。所采用的二维材料几何各向异性比（横向尺寸除以厚度）达到了103的量级，高出棒状液晶和一维材料液晶一到两个数量级。由此带来了高双折射率和高各向异性的磁化率。在0~0.2T的磁场驱动范围内，双折射率与磁场强度的平方呈现了完美的线性关系，证实了磁光克顿-穆顿效应（Δn=CλB2）的存在。通过对该线性区间的拟合，得到了C值为1400T-2m-1，高出其他低维材料液晶近两到三个量级。其中所述的0.2T磁场完全可以由两个纽扣大小的永磁体提供，有望全面发挥上面所述磁驱动的优势。此外该二维材料分散液还因具有高透光率，其在正交偏振片下，呈现与磁场一一对应的透射干涉色现象，这是研究人员首次观察到透射干涉色的磁调控现象。为将来透射式颜色领域的诸多新应用打开了大门，如可视化磁传感、透明彩色打印、磁调控滤色膜等。

图1  基于宽带隙磁性二维材料分散液的磁致透射干涉色效应

图2  二维材料在磁场中排布方式及磁致透射干涉色实现机理

图3  正交偏振片下二维材料分散液的磁致透射干涉色量化表征及理论拟合

图4  正交偏振下二维材料分散液磁光克顿-穆顿效应理论拟合

       论文共同第一作者为清华-伯克利深圳学院研究科学家丁宝福博士、曼彻斯特大学博士生邝文俊，论文共同通讯作者为刘碧录副教授、成会明教授及安德烈•盖姆教授。论文作者还包括潘意坤及英国曼彻斯特大学教授伊莉娜·格力高瑞娃（IrinaGrigorieva）。该研究由国家自然科学基金委以及深圳市工信局、科创委和发改委等部门支持。
       论文原文链接：DingBF, et al., Nature Communications, 2020, 11, 3725.
       https://www.nature.com/articles/s41467-020-17589-4

供稿：深圳国际研究生院

          文章来源：清华大学

       刘碧录，清华大学-伯克利深圳学院特别研究员、博士生导师。2006年本科毕业于中国科技大学材料化学专业， 2012年获中科院金属研究所材料学博士学位。2012年5月至2016年5月，在美国南加州大学电子工程系从事博士后研究，后任研究助理教授，自2016年6月起加入清华大学-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室。刘碧录教授的主要研究方向是碳纳米管、二维材料等低维半导体材料的生长机理、可控制备及器件应用。共发表学术论文60余篇，论文被引用8000余次，H因子为40。获得国家基金委优秀青年科学基金（2017年）、“中国科学院院长特别奖”等荣誉与奖励。
       成会明，炭材料科学家。中国科学院金属研究所研究员。1963年10月生于四川省巴中市，籍贯四川省蓬安县。1984年毕业于湖南大学化工系，1987年、1992年在中科院金属研究所获硕士和博士学位。主要从事先进炭材料的研究。提出了浮动催化剂化学气相沉积、非金属催化剂化学气相沉积制备碳纳米管等方法，促进了碳纳米管的研究与应用。提出了模板导向化学气相沉积等方法，制备出石墨烯三维网络结构材料、毫米级单晶石墨烯，发展了石墨烯材料的宏量制备技术。提出了可高效储能的层次孔材料设计和电化学电位调控的思路，制备出一系列新型能量转化与储存材料。研制出块体各向同性热解石墨材料，批量应用于多项重点工程。曾获国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科学与技术进步奖、美国碳学会Charles E. Pettinos奖等。