前沿科技：让国际权威专家点赞的太赫兹电光元器件课题

近日，南京大学现代工程与应用科学学院陆延青教授研究组在利用液晶实现宽带可调太赫兹波片的研究中取得重要进展。报导该研究成果的题为 "Broadband tunable liquid crystal terahertz waveplates driven with porous graphene electrodes"的论文，于2015年2月27日发表在*Light: Science & Application上Light Sci. Appl., 2015, 4, e253.

由于技术与材料的限制，频率处在0.1到10 THz之间的电磁波（即太赫兹波）在研究上一度成为电磁波谱上的空白。近年来，随着科技的迅猛发展，科学家逐渐在太赫兹波产生、传输和检测等方面取得了令人瞩目的成绩。太赫兹波由于其独特的优点，有望成为物质结构分析、生命医疗探测、高效绿色安检和高速无线通信的全新手段，并在天文观测、空间通讯和精密光谱测量等领域具有潜在的应用价值。

太赫兹研究与日俱增，但适用于该频段的光子学器件，尤其是可调控器件依然是一个挑战。液晶材料具有宽带可 调的特性且拥有成熟的工业技术基础，因而基于液晶的太赫兹可调器件研究引起了科研人员的广泛关注。寻求成熟的可见光与通讯波段元器件（如：开关、衰减器、 滤波片、偏振控制器、路由器等）在太赫兹频段的直接对映，并以此实现对太赫兹波的操控，已成为科技工作者的追求。

但一直以来该领域的研究面临着几个难题：

一，可见光和通讯波段通常采用的透明导电薄膜如氧化铟锡（ITO）等在THz频段变得不再透明，因而在施加电场方面遇到严峻的挑战；

二，液晶材料的双折射 率随波长增加而减小，在THz频段显著降低，而THz波的波长又是可见光的成百上千倍，要达到同样的位相调制量，所需的液晶和厚度要达到毫米量级，使得液 晶的均匀配向无法实现。

上述两个瓶颈严重的阻碍了该领域的发展。

图1 、THz液晶波片示意图及电极透过率

在该工作中，研究者系统解决了上述问题，并提出了一整套实用的解决方案。本工作选取进行相位延迟和偏振转换的基本元件——波片作为实例。

液晶盒采取了一种独特的结构设计：

1. 选用亚波长金属线栅同时作为高透过电极和内置起偏器；

2. UVO处理的多孔石墨烯作为无偏振依赖特性的高透电极（>98%）；

3. 非接触式光控取向作为无损伤的液晶配向技术；

4. 自行开发的在THz频段低吸收损耗、大双折射率的液晶材料NJU-004作为填充液晶材料。

最终在250 μm较小盒厚的条件下，实现了0.5-2.5 THz宽带低电压连续调谐的THz波片，并验证了其偏振调控特性。在小体积、集成化、高效率、低能耗的实用液晶THz元器件方向上迈出了关键的一步。实现了液晶材料与THz技术的完美结合，在THz通信、传感探测、分析、成像等领域具有广泛的应用前景。

图2 、THz液晶可调波片测试及偏振转换的验证

该工作得到了液晶界著名学者UCF S. T. Wu教授的高度评价："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". 审稿过程中也得到了三位审稿专家的一致好评："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".

本论文王磊和林晓雯为共同第一作者，胡伟副教授和陆延青教授为共同通信作者，南京大学作为第一单位与南京工业大学、清华大学合作完成。南京大学电子学院吴培亨院士和金飚兵教授团队为该研究做出了重要贡献。该研究得益于国家自然科学基金和973项目的资助，同时离不开人工微结构科学与技术协同创新中心、太赫兹科学协同创新中心、南京大学985工程、江苏省优势学科建设工程（材料科学与工程）等的支持。