液晶可以在力、热、磁、电等外界刺激下实现功能基元的有序排列，从而实现光调制，展现出广阔的应用前景。其中，尤以基于电光效应的液晶器件最为普遍，受到研究人员的广泛关注。电光克尔效应是最基础的电光效应之一，该效应中的克尔系数可以定量描述电致双折射与电场强度之间的关系，反映了液晶功能基元在电场下受控取向的灵敏程度，被认为是液晶体系本征性质的一种量度。理论预测指出，具有本征极化和大几何各向异性的材料可能具有最高的克尔系数，是潜在的高灵敏液晶体系。然而，同时具备上述两种特征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。因此，寻找和开发具有本征极化和大几何各向异性的液晶功能基体，理解其构效关系，实现电光液晶的性能突破，具有重要的科学和社会意义。
针对上述研究现状，清华大学深圳国际研究生院刘碧录教授团队在一种古老矿物材料——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功能基体的无机溶致液晶。这项成果是团队在发现二维蛭石液晶巨磁光效应的基础上，在无机二维材料液晶领域取得的又一新进展。
研究发现，二维蛭石液晶的电光克尔系数较既往最高值提升了一个数量级，有望革新电光液晶器件的性能。这项成果揭示出一种古老矿物材料在二维下的铁电新性质，开发出无机二维铁电材料液晶新体系，探索了巨电光克尔效应和其中的物理机制，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行业找到新的增长点，走向中国特色矿产资源“高值化”“功能化”应用新阶段。
研究人员首先发现，二维蛭石的水分散液是一种溶致液晶体系。二维蛭石液晶在1.0×103V m-1的横向电场下即展现出明显的电光响应，工作电场强度低于传统液晶2~3个数量级（~106V m-1）。定量数据揭示，体积分数仅为0.08vol%的二维蛭石分散液具有3.0×10-4m V-2的克尔系数，高于目前所有已知克尔介质（包括各类有机液晶、无机纳米液晶等）至少一个数量级。实验和理论共同说明，该巨电光克尔效应可能来源于二维蛭石的固有电偶极矩，指示二维蛭石可能存在本征铁电性。
图1.二维蛭石分散液的液晶学行为及其电光响应
为了更好地理解巨电光克尔效应的物理起源，研究人员首先对二维蛭石的形貌进行了表征，发现二维蛭石具有2.6μm的平均尺寸和1.7nm的平均厚度，几何各向异性比（横向尺寸厚度比）超过1500。随后，研究人员利用压电力显微镜和极化测试等手段共同说明，二维蛭石存在极化翻转现象，指示二维蛭石具有固有电偶极矩。第一性原理计算指出，固有电偶极矩及二维铁电性可能来源于二维蛭石中因元素取代而产生的空位。研究团队进一步推导并证实了二维蛭石液晶中克尔系数与几何各向异性比、开尔文温度等参数之间的依赖关系。研究团队认为，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，二维蛭石的大几何各向异性和固有电偶极矩是该体系巨电光克尔效应的成因。
图2.二维蛭石的形貌与铁电性
基于上述发现，研究人员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。由于二维蛭石液晶具有低功耗、高灵敏度、耐紫外辐照等特点，相应器件有望用于户外大规模光调制等应用场景。
图3.基于二维蛭石液晶的原型器件
近日，相关研究成果以“二维铁电材料无机液晶”（An inorganic liquid crystalline dispersion with 2D ferroelectric moieties）为题，发表在《国家科学评论》（National Science Review）上。
剑桥大学教授马尼什·萨瓦拉（Manish Chhowalla）为该论文撰写了亮点评述 （Research High Light），指出该工作利用二维蛭石矿物材料的大几何各向异性和本征极化，实现了克尔效应的极限突破，并验证了其用于显示器件的可行性。马尼什·萨瓦拉还认为，“通过合理的思考和研究，人们有望在更多众所周知的古老材料中发现与技术紧密相关的、令人意想不到的新颖特性（Itis possible to take a well-known material such as vermiculite and, by rationally studying its properties, one can uncover unexpected fundamental properties that are also technologically relevant）”。近期，中国科学杂志社也以“二维铁电材料无机液晶——古老矿物的‘小材大用’”为题，介绍了该论文所取得的创新成果。
清华大学深圳国际研究生院教授刘碧录与中国科学院深圳先进技术研究院副研究员丁宝福为论文通讯作者。清华大学深圳国际研究生院2019级直博生黄子阳和2020级硕士生张泽豪为论文共同第一作者。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院博士后张荣杰、2021级博士生刘家荣、2021级硕士生武科佑、2021级硕士生郝与甘、访问学生许友安，华中科技大学教授吴梦昊和博士生杨柳，中国科学院深圳先进技术研究院研究员钟高阔和任传来博士，以及香港理工大学助理教授马腾。研究得到国家自然科学基金委、广东省教育厅、广东省科技厅、深圳市科创局、清华大学深圳国际研究生院、深圳市鹏瑞公益基金会等的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae108
