TBSI劉碧錄、成會明團隊與曼徹斯特大學安德烈?蓋姆團隊合作在Nat Commun發文：二維材料的巨磁光克頓-穆頓及磁致變色效應

引言

以傳統有機液晶為代表的雙折射液體因具有極大的電光科爾效應（Δn=KλE²，Δn為雙折射率，λ為波長，K為電光科爾系數，E為電場強度）而被廣泛應用于各種光電器件中，如液晶顯示、調色器、智能門窗等。相比于電驅動，磁驅動具有一系列獨特的優勢，如與材料無接觸、場區均勻、對材料無破壞及零能耗等。然而相較于有機液晶的電光科爾效應，大多數傳統的雙折射液體，其磁光克頓-穆頓效應（Δn=C_CMλB²，C_CM為磁光克頓-穆頓系數，B為磁場強度）十分微弱，所需磁場驅動較高，通常需達到幾個特斯拉的強度，而該強度只能由成本高昂、高能耗、體積巨大的超導磁體才能提供，無法滿足實用化的需求。另一方面，基于鐵流體的雙折射液體，因其具有超靈敏的磁響應而被發現具有巨磁光克頓-穆頓效應，有望滿足低磁場驅動液晶的基本需求，然而鐵流體顆粒對可見光的吸收十分強烈，極大地限制了光程。考慮到偏振光相位差的產生是由雙折射率和光程的乘積所共同決定的，高光學吸收將導致了鐵流體雙折射液體無法實現針對偏振光的大相位調制。因此，開發一種兼具高透明和大磁光克頓-穆頓效應的雙折射液體，是實現液晶光調制功能從電場驅動邁向磁場驅動的前提。

成果簡介

2020年7月24日，清華-伯克利深圳學院劉碧錄、成會明團隊與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理獎得主Andre?Geim教授團隊合作在國際頂刊Nature?Communications期刊上在線發表了題為“Giant magneto-birefringence effect and tuneable colouration of 2D crystal suspensions”的研究論文。

丁寶福等人針對上述挑戰，在該研究中，提出了以磁性元素鈷摻雜的二維鈦氧化物做雙折射液體的活性材料。所采用的二維材料幾何各向異性比（橫向尺寸除以厚度）大于10³，高出棒狀液晶和一維材料液晶一到兩個數量級，由此帶來了高雙折射率和高各向異性的磁化率。基于該材料體系，所制備的分散液呈現了巨磁致雙折射效應。在0?~?0.2 T的磁場驅動范圍內，雙折射率與磁場強度的平方呈現了完美的線性關系，證實了磁光克頓-穆頓效應（Δn=C_CMλB²）的存在。通過對該線性區間的擬合，得到了C_CM值為1400?T^-2m^-1，高出其他透明低維材料液晶近兩到三個量級。其中所述的0.2 T磁場完全可以由兩個紐扣大小的永磁體提供，有望全面發揮引言所述磁驅動的優勢。同時，本研究還從理論上闡釋了可調制透明干涉色出現的光學基礎是雙折射液體對偏振光的相位差調制需達到3π以上。本研究中的二維晶體分散液因同時具有高透光率及巨磁致雙折射效應，故而在較低磁場下（<0.8 T），實現了對偏振光的大相位調制（8π）。因此，在實驗上觀察到了與磁場一一對應的透射干涉色現象。值得注意的是，這是研究人員首次觀察到透射干涉色的磁調控現象，為將來透射式顏色領域的諸多新應用打開了大門，如可視化磁傳感、透明彩色打印、磁調控濾色膜等。此外該工作加深了研究人員對磁光克頓-穆頓效應機理的認識，在拓展二維材料在光學調制、生物醫學、探測監測等領域的應用方面具有一定的指導意義。

論文共同第一作者為清華-伯克利深圳學院研究科學家丁寶福博士、曼徹斯特大學博士生鄺文俊，論文共同通訊作者為劉碧錄副教授、成會明教授及安德烈?蓋姆教授。論文作者還包括潘意坤及英國曼徹斯特大學Irina Grigorieva教授。該研究由國家自然科學基金委以及深圳市工信局、科創委和發改委等部門支持。

圖文導讀

圖1. 二維磁性材料水性懸浮液中的透射式磁致變色現象。 a)磁光效應測量示意圖。b）裝有0.02 vol％二維材料懸浮液的比色皿的真實圖片。?左：無偏振器/檢偏器； 右：有正交偏振片并在非均勻磁場區。?c）均勻磁場中二維材料懸浮液顏色與磁場的一一對應關系。

圖2. 懸浮液中磁性二維材料在磁場作用下的排列狀態。a）透射式干涉色產生機理示意圖。?b）磁場作用下，二維材料懸浮液的光透射率與入射光方向的依賴關系。

圖3. 正交偏振片下二維材料分散液的磁致透射式干涉色量化表征及理論擬合a）歸一化的透射譜隨磁場的關系。 b）相長干涉波長λ_c隨磁場紅移（對應于透射率最大值）。 c）理論擬合透射譜隨磁場的關系。?d）CIE xy 1931顏色空間中色坐標隨磁場的演變。

圖4 磁性二維材料懸浮液的磁致雙折射效應分析。 a）單色透射光強隨磁場的震蕩關系。b）雙折射的色散關系。c）低場范圍0- 0.2 T中的雙折射及相位差隨磁場平方的線性關系。

原文鏈接：

文章鏈接：Baofu Ding^?, Wenjun Kuang^?, Yikun Pan, I. V. Grigorieva, A. K. Geim^*, Bilu Liu^*?& Hui-Ming Cheng^*,?Giant magneto-birefringence effect and tuneable colouration of 2D crystal suspensions, Nature Communications, 2020, 11, 3725.

網址鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17589-4

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