Nature Photonics: 新型準一維晶體實現中紅外波段的巨大光學各向異性

【引言】

光學各向異性是線性和非線性光學元件（如偏振片，波片和相位匹配元件）的功能基石。各向異性系統中光傳播的性質可以通過沿著系統各個主軸的復折射率（n?+ i k）描述。材料中的光學各向異性可以量化為這些復折射率的實部之間的差值,雙折射率（?n）, 和虛部之間的差值, 二向色性（?k）。雙折射或二向色性普遍存在于無機晶體, 液晶, 以及諸如等離激元陣列和多槽納米光子結構組成的形狀雙折射系統中。目前，廣泛用于高性能偏振光學器件的光學晶體的最大雙折射率約為0.3。廣泛用于顯示設備的液晶材料通常具有低于0.4的雙折射率, 高達0.7雙折射率的液晶材料近期通過仔細的連接多個芳環實現。但是，這些大分子很難合成和使用。利用各向異性的超構材料或表面構筑的系統可以提供很高的光學各向異性，但是它們的使用仍然受制于制造難題和光學損耗。因此, 開發設計具有更強光學各向異性的熱力學穩定的均質光學晶體, 是一個長期難題, 對于偏振光電器件的設計和優化具有重要的理論和技術意義。

【文章簡介】

近日, 來自于南加州大學材料系及電子系的Jayakanth Ravichandran教授，Han Wang教授(共同通訊)，威斯康辛大學麥迪遜分校電子系Mikhail Kats教授(共同通訊), 以及同是畢業于南京大學, 現為南加州大學博士生的第一作者牛善遠, 共同一作趙歡, 成功設計并實現了具備巨大光學各向異性的單晶體三硫化鋇鈦（BaTiS₃）。相關成果以”Giant optical anisotropy in a quasi-one-dimensional crystal”為題發表于Nature Photonics。這種材料在整個中長波紅外線區域顯示出前所未有的巨大光學各向異性, 集中體現在高于0.7的全波段超高雙折射率和大帶寬的二向色性窗口。其中, 位于透明區域的高達0.76的雙折射率超過任何其他透明固體材料至少兩倍。極強的二向色性衍生出對于尋常和非尋常入射光的分別位于1.6μm和4.5μm處的完全不同的吸收邊。該材料同時繼承了無機均質晶體的優點, 由無毒及地殼常見元素構成, 并具有低光學耗損。BaTiS₃異常大的光學各向異性源于作者們對材料的結構和組分的精妙設計。?其準一維的六方鈣鈦礦結構, 以及合理選取的組成元素最大化了不同晶軸方向的極化率差異。作者團隊利用化學氣相輸運法合成了BaTiS₃的大型塊狀單晶，并且充分研究了其從紫外到長波紅外的光學性質。經過一系列掃描透射電鏡，拉曼, XRD, FTIR，橢圓偏振光譜儀等綜合表征，以及基于第一性原理的理論計算，三硫化鋇鈦的晶體結構，能帶結構和光學性質得以充分表征。這是首次大規模合成晶體狀三硫化鋇鈦的報告。這類準一維晶體材料不僅在紅外光學偏振片、半波片等領域有巨大應用價值，也在紅外光電探測、磁光性質等領域有巨大潛力。該工作一經發表被美國ScienceDaily, Phys.org, ECN, R&D等多家媒體報導。

【圖文導讀】

圖 1： BaTiS₃晶體的透視圖，圖abc是三種不同視角。藍色和橙色小球分別是鋇和硫，綠球代表鈦原子。d，相對于原子序數繪制的針對準1D結構的所選候選離子的電子極化率。e，對于c軸平行（紅色）和垂直（藍色）偏振光的計算吸收系數光譜。 插圖顯示了計算出的BaTiS₃電子能帶結構，鈦d_z²帶以黃金突出顯示。 Γ，M，K，A，L和H代表布里淵區的臨界k點。

圖?2：a，針狀和片狀的BaTiS₃晶體的光學圖像。b，BaTiS₃的SEM圖像。比例尺是500微米。 c，BaTiS₃樣品的面外X射線衍射圖; A.U.是任意單位。 d，在BaTiS₃晶體針狀樣品上的鋇（藍），鈦（紅）和硫（綠）元素的EDS圖。比例尺是50微米。 e，分別為183 cm^-1,187 cm^-1和380 cm^-1的BaTiS₃三種拉曼模式E_2g，E_1g和A_1g的強度。極坐標中繪制了不同激發激光偏振方向下各拉曼峰的強度。 A1g模式的強度按比例縮小15倍（由'X1 / 15'表示）。 f，g，沿a軸（f）和c軸（g）觀察到的BaTiS₃的高角度環形暗場STEM圖像。插圖是與STEM圖像重疊的相應的示意性晶體結構。 f和g中的比例尺分別為4 nm和2 nm。

圖?3：a，b，入射光的紅外透射（a）和反射（b）光譜在入射光偏振方向垂直（深綠色）和平行（橙色）c軸下的情況。 c，入射偏振光垂直和平行于c軸的介電函數的實部（ε1）和虛部（ε2）部分，數據提取于橢圓偏振測量和偏振分辨透射/反射測量。 d, 210nm至16um波長下，雙折射率（Δn= n ||-n⊥），線性二向色性（Δκ=κ||-κ⊥）和歸一化二色性η=（κ∥-κ⊥）（κ|| +κ⊥）的分布。 e，比較紅外波長下各種雙折射材料和BaTiS₃的絕對雙折射值。 八面體符號表示BaTiS₃的完全透光區域。 中紅外大氣透明區域（中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR））突出顯示。 e中其他材料的雙折射值是從其余文獻報告中獲取。

【總結與展望】

本文報道了一種具備中紅外區域廣波段強各向異性的光學材料, 并提出了設計更多此類材料的思路。我們預計BaTiS₃和其他準一維材料將廣泛用于下一代紅外成像，通信和傳感應用，特別是小型化光子器件。我們預計這些材料在電學，熱學和其他物理性質方面同樣具有很大的各向異性，進一步擴大它們的科學和技術重要性。

研究團隊簡介：

此工作的主要完成單位是南加州大學材料系及電子系Ravichandran教授課題組，Han Wang教授課題組，和威斯康辛大學麥迪遜分校電子系Kats課題組，博士生Shanyuan Niu, Graham Joe,和Huan Zhao為文章共同一作。其中Shanyuan Niu和Huan Zhao來自南加大，本科均畢業于南京大學。

【參考文獻】

Niu, Shanyuan, et al. "Giant optical anisotropy in a quasi-one-dimensional crystal." Nature Photonics?(2018): 1.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-018-0189-1

6月18日在線發表。鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-018-0189-1

本文由南加大Ravichandran組供稿，材料人編輯整理

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