看！华理有个研发团队，让液晶材料自组装变“我”组装

2021-11-10 18:01:21

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瞄准“大尺寸”“高效率”“平面化”

让液晶材料由自组装变“我”组装

还记得令人惊艳的2021年华理本科生新生录取通知书大礼包里的光控变色校徽吗？这个高端防伪技术的奥秘就在于，将光致变色染料与液晶相结合，用短波长的紫外光和长波长的可见光进行照射，从而调控校徽的反射色变化。物理学院郑致刚教授就是其研发团队的主要成员。

郑致刚教授长期从事液晶态功能软材料与微纳光学器件研究，他带领团队，多年来潜心深耕大尺寸、高效率、平面化光学超表面元器件研究领域，于近期取得了重大创新成果，为液晶材料在高集成光子芯片、高速光计算、光量子通讯等领域的工程化应用，开拓了广阔的前景。

奇妙的液晶材料自组装

提到“液晶”，大多数人的第一反应是液晶显示器。诚然，液晶大量应用于平板显示领域近30年，成就确实令人瞩目，但是液晶材料的用途可远远不止于做显示器。

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◎图片：（左）2英寸液晶双折射彩色图案；（右）4英寸液晶双折射灰度图案

众所周知，自然界里的物质一般以固、液、气三种状态存在，液晶则是介于液态与固态的中间态，被称为物质的第四态，由于分子结构的原因而呈现一些奇妙的性质，例如对物理环境变化的敏感性（即所谓的“外场响应性”）、光学微结构的自组装特性等等。据已有的一些研究成果表明，研究人员能够利用液晶的外场响应性，来干预其自组装行为，操控所形成的光学微结构，让液晶材料按照需求来设计和组装，从而实现对器件光学性能的人为操控。

“这类呈现特殊自组装光学微结构的液晶材料，在光子芯片、光计算、光量子通讯等方面，具有广阔的应用前景和工程化意义，是当今光学领域的前沿热点。但是，在这个庞大的研究领域中，真正属于中国的核心技术却屈指可数。”郑致刚教授说。

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◎图片：实验问题讲解

为改变这一窘迫现状，郑致刚教授带领团队，瞄准受控自组装液晶光学微结构材料这个难题，攻坚克难、摸索前进，逐步在材料、器件和研究方法上形成了自己的特色，完成了从结构设计、加工平台到控制软件的系统创新，面向工程应用需求，实现了光学利用效率高、材料轻薄、制备简易、价格成本低等目标。

让液晶材料由“我”组装

目前光场调控光学系统普遍采用玻璃光学元器件来实现，体积和重量都很大，此外还需要利用对经验依赖较高的光学抛光工艺，由此带来的问题就是，加工困难大、成本高，系统笨重繁杂、应用受限。而另一方面，伴随着科技水平的进步和高密度集成电路技术的巨大成功，现代光学器件又亟需轻量化、平面化、大口径和易集成。两相综合，要求科研工作者要针对传统光学元器件加工复杂、无法大口径化和工程应用的“痛点”与“堵点”，开展平面化液晶超表面元器件的研究，并战胜工程化带来的挑战。

“从当前的研究水平看，阻碍这个目标实现的瓶颈问题是，这些元器件的光学口径仍然太小，一般局限在5mm以下，影响光学效率和分辨率，达不到实际应用的要求。”郑致刚教授指出。

那么，他们是怎样突破这个难题的呢？根据郑致刚教授的介绍，研究人员采取“一条龙”的研发路线——先做好液晶微结构的设计这篇“文章”，然后将具备所需功能的液晶材料覆在经过特殊光敏化处理的衬底表面（例如玻璃），从而突破在传统视域里无法解决的尺寸、工艺等系列问题。

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◎图片：液晶超表面偏振光刻系统

沿着这一思路，截至目前，团队已经取得了系列创新成果：自主研发出高效率平面液晶超表面光刻系统，制备流程简单、易操作，不涉及显影、蚀刻等转移或污染物排放，过程制造全绿色；以图案化偏振光刻技术融合光学孔径拼接与共享的创新思维，以做大尺寸、消除缺陷、实现器件高效率和大口径化为目标，获得了衍射效率在90%以上的液晶超表面偏振光栅，实现了在5V以下的弱电压可控光束扫描，制备出高光学效率的Pancharatnam-Berry相位微透镜阵列以及阵列型涡旋、Airy、Bessel等结构光场相位片。

“简单地说，以尺寸为例，我们目前已经能够通过特殊的材料设计，来实现大口径平面光学器件的薄膜化。”郑致刚教授说。

交叉创新凝聚华理方案

“让人高兴的是，研究工作不仅让我们获得了大面积、高光学效率的有序软物质晶格，更让我们找到了材料设计、器件结构优化的理论依据和方向，从分子尺度提出了诱导并增强自组装结构的新思路，为液晶乃至软物质自组装结构的理论和应用研究注入了新思想、新概念、新方法。”郑致刚教授总结整个研究工作时说。

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◎图片：液晶光学检测平台设计

从光学设计、加工平台、控制软件等各模块的研发，到整个制造平台的开发和架构的系统创新，让郑致刚教授团队在光子器件方面取得了一系列应用型成果。他们通过发挥液晶微结构材料的独特光子调控性能，结合器件结构设计，探索开发出了包括低电压（10V以下）、窄半宽（0.5nm），振幅、波长、方向可调谐等特点的平面液晶激光器，实现了激光器件的低成本、低工艺要求和微型化，为后续的进一步应用铺平了道路。

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◎图片：口径100mm平面偏振衍射器件

与此同时，郑教授又算了一笔经济账：以原来的技术水平，加工1mm口径器件加工费市场价在2000元到5000元之间，运用新方法和新工艺后，不仅能在确保良率90%的基础上将器件口径从目前的5mm提升到100mm，而且能使加工费大幅下降。

由此，团队的系统化创新成果为液晶材料的工程化应用奠定了坚实的基础。以航空航天领域为例，天基光学仪器特别需要体积小（微米级）、重量轻，此外还要非机械式、非接触式控制，这就是液晶超表面技术大显身手的时候。与此相似的应用场景还有很多。可以说，液晶的下一场应用革命，已经开始在光电子行业逐渐显现。

“让液晶突破传统显示应用，实现系统创新，我们依靠的是华理多学科交叉的优势，向下一代光信息处理技术迈进，我们还要努力提供具有鲜明华理特色的方案。”郑致刚教授说。

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个人简介

郑致刚，华东理工大学教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金、“上海市青年五四奖章”获得者，入选上海市“曙光计划”“上海市青年科技启明星计划”。在手性液晶软结构光学材料、三维液晶光子晶体软材料、功能光学薄膜、大尺寸液晶可调谐光学器件的基础与工程化应用方面，取得了系列创新成果。在Nature、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials等期刊上发表论文近70 篇。获发明专利授权8项。

作者 |徐舟

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