二维铁电材料无机液晶 —— 古老矿物的“小材大用” | NSR

电光液晶器件由于能对光强度、偏振和相位等参数开展连续、动态调控而应用广阔。理论指出，探寻具有大几何各向异性和固有电偶极矩的材料是革新电光液晶器件性能的关键。然而，同时具备上述两种特性的液晶体系未见报道，大大限制了液晶科学领域的进一步发展。

针对这一问题，清华大学刘碧录教授团队在一种古老的矿物材料——蛭石中发现了二维铁电性，首次报道了以具有大几何各向异性的二维铁电材料为基体的无机溶致液晶。这种二维蛭石液晶的电光效应灵敏度突破理论极限1个数量级，有望开拓液晶器件应用新领域。这项成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），清华大学深圳国际研究生院博士生黄子阳和硕士生张泽豪为论文的共同第一作者，清华大学深圳国际研究生院刘碧录教授、中国科学院深圳先进技术研究院丁宝福副研究员为论文的通讯作者。

研究团队首先发现，二维蛭石的水分散液是一种溶致液晶体系。通过电光克尔效应对二维蛭石液晶开展定量表征，研究团队发现，二维蛭石液晶的电光效应灵敏度（以克尔系数计）高达3.0×10^-4 m V^-2，较理论极限值高出1个数量级，展现出巨电光克尔效应。

材料表征显示，二维蛭石具有2.6 μm的平均尺寸和1.7 nm的平均厚度，几何各向异性比（横向尺寸厚度比）超过1500，具有大几何各向异性。压电力显微镜和极化测试等手段共同说明，二维蛭石具有可被电场翻转的极化，指示二维蛭石具有固有电偶极矩。理论结合实验，研究团队发现，二维蛭石的大几何各向异性和固有电偶极矩是二维蛭石液晶巨电光克尔效应的物理起源。二维蛭石液晶代表了一类全新的以二维铁电材料为基体的无机溶致液晶。研究团队进一步推导并证实了该类液晶中克尔系数与几何各向异性比、温度等参数的依赖关系，建立了对该类液晶的普适性理解。

二维蛭石液晶的巨电光克尔效应使得电光液晶器件的操纵电场可以从10⁶ V m^-1降低至10²~10⁴ V m^-1量级，尤其适用于户外大规模光调制等应用场景。研究团队组装了英寸级液晶显示单元，实现了可交互液晶显示阵列的规模集成。该阵列能够捕捉软件信号、人体手势等输入信息实现字母、数字等的远程显示，且在户外稳定性、能耗等方面具有优异性能。

这项成果报道了一种古老矿物材料在二维下的铁电新性质，开发了无机二维铁电材料液晶，发现了其巨电光克尔效应和物理机制，并实现了应用验证。这项成果不仅拓宽了液晶科学的研究内涵，为探索电光液晶器件新场景新应用带来了机遇；还为理解范德华材料中的铁电特性，寻找可规模化、实用化的二维铁电材料家族新成员提供了范本。此外，二维蛭石的铁电特性和液晶光学研究有望帮助传统矿物材料实现“小材大用”，走向中国特色矿产资源“高值化”、“功能化”应用新阶段。

相关论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae108

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