前沿科技：讓國(guó)際權(quán)威專家點(diǎn)贊的太赫茲電光元器件課題

　　近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院陸延青教授研究組在利用液晶實(shí)現(xiàn)寬帶可調(diào)太赫茲波片的研究中取得重要進(jìn)展。報(bào)導(dǎo)該研究成果的題為 “Broadband tunable liquid crystal terahertz waveplates driven with porous graphene electrodes”的論文，于2015年2月27日發(fā)表在*Light: Science & Application上Light Sci. Appl., 2015, 4, e253.

　　由于技術(shù)與材料的限制，頻率處在0.1到10 THz之間的電磁波(即太赫茲波)在研究上一度成為電磁波譜上的空白。近年來(lái)，隨著科技的迅猛發(fā)展，科學(xué)家逐漸在太赫茲波產(chǎn)生、傳輸和檢測(cè)等方面取得了令人矚目的成績(jī)。太赫茲波由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，有望成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、生命醫(yī)療探測(cè)、高效綠色安檢和高速無(wú)線通信的全新手段，并在天文觀測(cè)、空間通訊和精密光譜測(cè)量等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

　　太赫茲研究與日俱增，但適用于該頻段的光子學(xué)器件，尤其是可調(diào)控器件依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。液晶材料具有寬帶可 調(diào)的特性且擁有成熟的工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，因而基于液晶的太赫茲可調(diào)器件研究引起了科研人員的廣泛關(guān)注。尋求成熟的可見(jiàn)光與通訊波段元器件(如：開(kāi)關(guān)、衰減器、 濾波片、偏振控制器、路由器等)在太赫茲頻段的直接對(duì)映，并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的操控，已成為科技工作者的追求。

　　但一直以來(lái)該領(lǐng)域的研究面臨著幾個(gè)難題：

　　一，可見(jiàn)光和通訊波段通常采用的透明導(dǎo)電薄膜如氧化銦錫(ITO)等在THz頻段變得不再透明，因而在施加電場(chǎng)方面遇到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn);

　　二，液晶材料的雙折射 率隨波長(zhǎng)增加而減小，在THz頻段顯著降低，而THz波的波長(zhǎng)又是可見(jiàn)光的成百上千倍，要達(dá)到同樣的位相調(diào)制量，所需的液晶和厚度要達(dá)到毫米量級(jí)，使得液 晶的均勻配向無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

　　上述兩個(gè)瓶頸嚴(yán)重的阻礙了該領(lǐng)域的發(fā)展。

　　圖1 、THz液晶波片示意圖及電極透過(guò)率

　　在該工作中，研究者系統(tǒng)解決了上述問(wèn)題，并提出了一整套實(shí)用的解決方案。本工作選取進(jìn)行相位延遲和偏振轉(zhuǎn)換的基本元件——波片作為實(shí)例。

　　液晶盒采取了一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

　　1. 選用亞波長(zhǎng)金屬線柵同時(shí)作為高透過(guò)電極和內(nèi)置起偏器;

　　2. UVO處理的多孔石墨烯作為無(wú)偏振依賴特性的高透電極(>98%);

　　3. 非接觸式光控取向作為無(wú)損傷的液晶配向技術(shù);

　　4. 自行開(kāi)發(fā)的在THz頻段低吸收損耗、大雙折射率的液晶材料NJU-004作為填充液晶材料。

　　最終在250 μm較小盒厚的條件下，實(shí)現(xiàn)了0.5-2.5 THz寬帶低電壓連續(xù)調(diào)諧的THz波片，并驗(yàn)證了其偏振調(diào)控特性。在小體積、集成化、高效率、低能耗的實(shí)用液晶THz元器件方向上邁出了關(guān)鍵的一步。實(shí)現(xiàn)了液晶材料與THz技術(shù)的完美結(jié)合，在THz通信、傳感探測(cè)、分析、成像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　圖2 、THz液晶可調(diào)波片測(cè)試及偏振轉(zhuǎn)換的驗(yàn)證

　　該工作得到了液晶界著名學(xué)者UCF S. T. Wu教授的高度評(píng)價(jià)：“Great progress and exciting results. ……You have solved very important problems in polarizer, transparent electrodes, LC materials and LC alignment. These are all very crucial to this emerging field”. 審稿過(guò)程中也得到了三位審稿專家的一致好評(píng)：“In this manuscript, the authors demonstrated a clever approach to solve a tough problem of liquid crystal-based Terahertz phase shifter. ……Overall speaking, this paper is not only scientifically exciting but also practically useful”. “A nice literature review was given on the LC and graphene based terahertz devices”. “……UVO-treated graphene film……together with the high-quality liquid crystal developed by the authors, leads to a practical terahertz waveplate with the desired compactness, high efficiency and wide tuning range. This work is thus of general interest and practical significance”.

　　本論文王磊和林曉雯為共同第一作者，胡偉副教授和陸延青教授為共同通信作者，南京大學(xué)作為第一單位與南京工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)合作完成。南京大學(xué)電子學(xué)院吳培亨院士和金飚兵教授團(tuán)隊(duì)為該研究做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得益于國(guó)家自然科學(xué)基金和973項(xiàng)目的資助，同時(shí)離不開(kāi)人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、太赫茲科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、南京大學(xué)985工程、江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程(材料科學(xué)與工程)等的支持。