看！華理有個研發(fā)團隊，讓液晶材料自組裝變“我”組裝

瞄準(zhǔn)“大尺寸”“高效率”“平面化”

讓液晶材料由自組裝變“我”組裝

還記得令人驚艷的2021年華理本科生新生錄取通知書大禮包里的光控變色校徽嗎？這個高端防偽技術(shù)的奧秘就在于，將光致變色染料與液晶相結(jié)合，用短波長的紫外光和長波長的可見光進(jìn)行照射，從而調(diào)控校徽的反射色變化。物理學(xué)院鄭致剛教授就是其研發(fā)團隊的主要成員。

鄭致剛教授長期從事液晶態(tài)功能軟材料與微納光學(xué)器件研究，他帶領(lǐng)團隊，多年來潛心深耕大尺寸、高效率、平面化光學(xué)超表面元器件研究領(lǐng)域，于近期取得了重大創(chuàng)新成果，為液晶材料在高集成光子芯片、高速光計算、光量子通訊等領(lǐng)域的工程化應(yīng)用，開拓了廣闊的前景。

01

奇妙的液晶材料自組裝

提到“液晶”，大多數(shù)人的第一反應(yīng)是液晶顯示器。誠然，液晶大量應(yīng)用于平板顯示領(lǐng)域近30年，成就確實令人矚目，但是液晶材料的用途可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于做顯示器。

◎圖片：（左）2英寸液晶雙折射彩色圖案；（右）4英寸液晶雙折射灰度圖案

眾所周知，自然界里的物質(zhì)一般以固、液、氣三種狀態(tài)存在，液晶則是介于液態(tài)與固態(tài)的中間態(tài)，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，由于分子結(jié)構(gòu)的原因而呈現(xiàn)一些奇妙的性質(zhì)，例如對物理環(huán)境變化的敏感性（即所謂的“外場響應(yīng)性”）、光學(xué)微結(jié)構(gòu)的自組裝特性等等。據(jù)已有的一些研究成果表明，研究人員能夠利用液晶的外場響應(yīng)性，來干預(yù)其自組裝行為，操控所形成的光學(xué)微結(jié)構(gòu)，讓液晶材料按照需求來設(shè)計和組裝，從而實現(xiàn)對器件光學(xué)性能的人為操控。

“這類呈現(xiàn)特殊自組裝光學(xué)微結(jié)構(gòu)的液晶材料，在光子芯片、光計算、光量子通訊等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景和工程化意義，是當(dāng)今光學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。但是，在這個龐大的研究領(lǐng)域中，真正屬于中國的核心技術(shù)卻屈指可數(shù)。”鄭致剛教授說。

◎圖片：實驗問題講解

為改變這一窘迫現(xiàn)狀，鄭致剛教授帶領(lǐng)團隊，瞄準(zhǔn)受控自組裝液晶光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料這個難題，攻堅克難、摸索前進(jìn)，逐步在材料、器件和研究方法上形成了自己的特色，完成了從結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工平臺到控制軟件的系統(tǒng)創(chuàng)新，面向工程應(yīng)用需求，實現(xiàn)了光學(xué)利用效率高、材料輕薄、制備簡易、價格成本低等目標(biāo)。

02

讓液晶材料由“我”組裝

目前光場調(diào)控光學(xué)系統(tǒng)普遍采用玻璃光學(xué)元器件來實現(xiàn)，體積和重量都很大，此外還需要利用對經(jīng)驗依賴較高的光學(xué)拋光工藝，由此帶來的問題就是，加工困難大、成本高，系統(tǒng)笨重繁雜、應(yīng)用受限。而另一方面，伴隨著科技水平的進(jìn)步和高密度集成電路技術(shù)的巨大成功，現(xiàn)代光學(xué)器件又亟需輕量化、平面化、大口徑和易集成。兩相綜合，要求科研工作者要針對傳統(tǒng)光學(xué)元器件加工復(fù)雜、無法大口徑化和工程應(yīng)用的“痛點”與“堵點”，開展平面化液晶超表面元器件的研究，并戰(zhàn)勝工程化帶來的挑戰(zhàn)。

“從當(dāng)前的研究水平看，阻礙這個目標(biāo)實現(xiàn)的瓶頸問題是，這些元器件的光學(xué)口徑仍然太小，一般局限在5mm以下，影響光學(xué)效率和分辨率，達(dá)不到實際應(yīng)用的要求�！编嵵聞偨淌谥赋觥�

那么，他們是怎樣突破這個難題的呢？根據(jù)鄭致剛教授的介紹，研究人員采取“一條龍”的研發(fā)路線——先做好液晶微結(jié)構(gòu)的設(shè)計這篇“文章”，然后將具備所需功能的液晶材料覆在經(jīng)過特殊光敏化處理的襯底表面（例如玻璃），從而突破在傳統(tǒng)視域里無法解決的尺寸、工藝等系列問題。

◎圖片：液晶超表面偏振光刻系統(tǒng)

沿著這一思路，截至目前，團隊已經(jīng)取得了系列創(chuàng)新成果：自主研發(fā)出高效率平面液晶超表面光刻系統(tǒng)，制備流程簡單、易操作，不涉及顯影、蝕刻等轉(zhuǎn)移或污染物排放，過程制造全綠色；以圖案化偏振光刻技術(shù)融合光學(xué)孔徑拼接與共享的創(chuàng)新思維，以做大尺寸、消除缺陷、實現(xiàn)器件高效率和大口徑化為目標(biāo)，獲得了衍射效率在90%以上的液晶超表面偏振光柵，實現(xiàn)了在5V以下的弱電壓可控光束掃描，制備出高光學(xué)效率的Pancharatnam-Berry相位微透鏡陣列以及陣列型渦旋、Airy、Bessel等結(jié)構(gòu)光場相位片。

“簡單地說，以尺寸為例，我們目前已經(jīng)能夠通過特殊的材料設(shè)計，來實現(xiàn)大口徑平面光學(xué)器件的薄膜化�！编嵵聞偨淌谡f。

03

交叉創(chuàng)新凝聚華理方案

“讓人高興的是，研究工作不僅讓我們獲得了大面積、高光學(xué)效率的有序軟物質(zhì)晶格，更讓我們找到了材料設(shè)計、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論依據(jù)和方向，從分子尺度提出了誘導(dǎo)并增強自組裝結(jié)構(gòu)的新思路，為液晶乃至軟物質(zhì)自組裝結(jié)構(gòu)的理論和應(yīng)用研究注入了新思想、新概念、新方法�！编嵵聞偨淌诳偨Y(jié)整個研究工作時說。

◎圖片：液晶光學(xué)檢測平臺設(shè)計

從光學(xué)設(shè)計、加工平臺、控制軟件等各模塊的研發(fā)，到整個制造平臺的開發(fā)和架構(gòu)的系統(tǒng)創(chuàng)新，讓鄭致剛教授團隊在光子器件方面取得了一系列應(yīng)用型成果。他們通過發(fā)揮液晶微結(jié)構(gòu)材料的獨特光子調(diào)控性能，結(jié)合器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，探索開發(fā)出了包括低電壓（10V以下）、窄半寬（0.5nm），振幅、波長、方向可調(diào)諧等特點的平面液晶激光器，實現(xiàn)了激光器件的低成本、低工藝要求和微型化，為后續(xù)的進(jìn)一步應(yīng)用鋪平了道路。

◎圖片：口徑100mm平面偏振衍射器件

與此同時，鄭教授又算了一筆經(jīng)濟賬：以原來的技術(shù)水平，加工1mm口徑器件加工費市場價在2000元到5000元之間，運用新方法和新工藝后，不僅能在確保良率90%的基礎(chǔ)上將器件口徑從目前的5mm提升到100mm，而且能使加工費大幅下降。

由此，團隊的系統(tǒng)化創(chuàng)新成果為液晶材料的工程化應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。以航空航天領(lǐng)域為例，天基光學(xué)儀器特別需要體積小（微米級）、重量輕，此外還要非機械式、非接觸式控制，這就是液晶超表面技術(shù)大顯身手的時候。與此相似的應(yīng)用場景還有很多�？梢哉f，液晶的下一場應(yīng)用革命，已經(jīng)開始在光電子行業(yè)逐漸顯現(xiàn)。

“讓液晶突破傳統(tǒng)顯示應(yīng)用，實現(xiàn)系統(tǒng)創(chuàng)新，我們依靠的是華理多學(xué)科交叉的優(yōu)勢，向下一代光信息處理技術(shù)邁進(jìn)，我們還要努力提供具有鮮明華理特色的方案�！编嵵聞偨淌谡f。

個人簡介

鄭致剛，華東理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、“上海市青年五四獎?wù)隆鲍@得者，入選上海市“曙光計劃”“上海市青年科技啟明星計劃”。在手性液晶軟結(jié)構(gòu)光學(xué)材料、三維液晶光子晶體軟材料、功能光學(xué)薄膜、大尺寸液晶可調(diào)諧光學(xué)器件的基礎(chǔ)與工程化應(yīng)用方面，取得了系列創(chuàng)新成果。在Nature、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials等期刊上發(fā)表論文近70 篇。獲發(fā)明專利授權(quán)8項。

作者 |徐舟

黨史知識知多少

(單選）中央人民政府正式宣布五月四日為“青年節(jié)”是在（ ）年。

A

1949

B

1950

C

1951

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(單選）《中日和平友好條約》簽訂于（ ）年。

A

1972

B

1978

C

1979

（點擊選項查看答案）

(單選）中華人民共和國的國歌是（ ）。

A

《義勇軍進(jìn)行曲》

B

《東方紅》

C

《團結(jié)就是力量》

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