1. 清新电源首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. AdvancedScienceNews

Advanced Materials:光操控软晶体指向的有序性、微域化及图案化

物质结构的有序性诠释了自然界的神奇、和谐与统一,呈现给我们一个五彩斑斓的艺术世界。众多美妙的自然现象构成了一副生机盎然的曼妙画面。蝴蝶翅膀的绚丽色彩、DNA的双螺旋等,皆源于这种微观尺度下的规则与有序,由此催生了科学家的好奇心、激发了探索的欲望。

晶体材料是这种微观秩序的典型代表,展现出对量子(以电子和光子为主)传输、自旋和布居行为的操控,被广泛地应用于电子学和光子学领域。有序性通常直接影响晶体对量子的操控性能,有序性低导致该性能下降,宏观表现为电子迁移率下降或光子局域化减弱。获得晶格的有序排列对晶体材料的高效应用至关重要,由此晶体生长技术应运而生,如常规的熔体生长法、溶液生长法、气相生长法和外延法。另一方面,对晶面指向的微域控制,形成晶格排列有序-无序交替的周期或准周期微图案化,蕴含着丰富的物理内涵和应用潜力,有望催生全新器件的开发和应用。液晶是具有典型自组装行为的软物质材料,分子排列长程有序,对外场(如电、光、力、热等)有响应性。当引入强手性作用时,在一定温度下,液晶分子呈现奇异的双螺旋排列,并自组装形成立方晶格,即蓝相。蓝相晶格尺度与光波长相当,对一定波段内的光子呈现显著的局域特性,因而是一种自组装软光子晶体。与众多有机晶体材料一样,蓝相液晶由于其熵变主导的晶格生长机制,晶格指向通常无序,从而降低了其光学效率,因而控制该软晶格指向的排列有序并实现指向的微域化、图案化兼具科学研究价值与工程应用意义,同时也存在巨大的技术挑战。


Advanced Materials:光操控软晶体指向的有序性、微域化及图案化


近日,华东理工大学郑致刚教授、沈冬教授团队与南京大学陆延青教授、胡伟副教授团队和俄亥俄州立大学李国强教授与肯特州立大学李全教授团队合作,创造性地使用表面光配向技术控制蓝相晶格的有序生长,将“自上而下”的图形化取向与“自下而上”的分子自组装相结合,实现了蓝相软晶格指向的有序性、微域化、图案化。采用紫外掩膜曝光,曝光区域产生表面均匀取向锚定,导致晶格指向有序;非曝光区域,无表面取向,晶格保持随机指向。据此实现了周期化的方格、同心圆、条纹图案;引入叉形结构的准周期条纹图案;以及数字形微图案。研究团队利用Kӧssel衍射技术对比并证实了取向与非取向区域的晶格指向有序性:在取向区域衍射图案呈现规则的圆环;非取向区域衍射图案呈现模糊的多曲线叠加。此外,与其它各类晶体材料相比,该软晶格的突出优势是其外场调控特性。实验证实电场作用可以导致晶格结构的形变,表现出反射波长随电场强度增加而红移,电场撤去后,反射波长回归初始状态;另一方面,借助光取向材料的光可擦写特性,蓝相晶格的指向有序性可以反复擦除、重构。这种晶格指向的微域图案化可以拓展到光子学领域。由于蓝相的有序取向与无序取向对特定波段光的反射率差异,导致对应于图案的振幅调制,产生光衍射,例如叉形图案的衍射斑呈现涡旋光特征。同时,场致晶格反射波长的变化赋予该类光子器件具有特殊的波长依赖性,即对于光波长在反射波段内的入射光呈现衍射效应;在波段外则正常透过。

该研究是软物质材料与光学微加工领域完美结合的创造性成果,融合了液晶、软物质物理、晶体学、光学和材料科学多个领域,为相关领域的发展提供了一种新的研究思路,是软物质材料和光学微纳操控领域的一项重大突破;同时,对自组装软晶体材料与应用的研究也是一个正向促进。华东理工大学袁丛龙同学对该研究有重要贡献,南京大学唐明劼同学以及中科院物理所叶方富研究员亦有实质性贡献。相关研究成果发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201703165)上,并被选为当期封面。


Advanced Materials:光操控软晶体指向的有序性、微域化及图案化





Wiley Advanced Science News官方微信平台

如希望发表科研新闻或申请信息分享,请联系:ASNChina@wiley.com

关注方式:微信右上角添加朋友—公众号—搜索“AdvancedScienceNews”或下方长按识别二维码。Advanced Materials:光操控软晶体指向的有序性、微域化及图案化Advanced Materials:光操控软晶体指向的有序性、微域化及图案化


本站非明确注明的内容,皆来自转载,本文观点不代表清新电源立场。

发表评论

登录后才能评论