超薄氯氧化钒表现出很强的光学各向异性

一些材料的光学、电学和机械性能会根据材料的方向或取向而变化。例如，根据木材的切割方式，木纹的方向可能会导致具有不同外观的更强或更弱的材料。同样的原理也适用于具有磁性等独特特性的超薄二维 (2D) 材料。根据施加在其中一种材料上的机械应变的方向，材料的磁性会发生变化。这可能有助于设计独特的磁应变传感器，这些传感器可以将力转换为可测量的电变化。虽然理论上可以预测这些材料的磁性、机械、光学和其他特性的各向异性，

最近由北京航空航天大学的科学家领导的一项研究专门设计用于通过实验评估超薄氯氧化钒 (VOCl) 的物理特性，因为它在理论计算的基础上对各种纳米技术具有潜在的适用性。研究团队使用偏振光系统地表征了二维材料的光学特性的方向性，以响应其原子的排列。研究结果发表在清华大学出版社 2023 年 1 月 5 日出版的《纳米研究》杂志上。

研究人员合成了块状 VOCl，并将材料机械分离成几层、纳米厚的样品，以从不同方向评估 2D VOCl 的光学特性。一旦团队确定了合成 VOCl 的原子微观结构和组成，便通过将偏振光照射在以不同角度旋转的 2D VOCl 样品上进行实验。研究人员确定了超薄材料的面内光学亮度、吸收、反射、晶体取向和对称性如何因其原子结构和指向样品的光角度而发生变化。

结合超薄 VOCl 的预测磁性，研究期间评估的光学各向异性特性将有助于确定 2D VOCl 在未来纳米技术中的适用性。

“这些结果为2D VOCl在自旋电子学和光自旋电子学的应用奠定了坚实的基础，”北京航空航天大学材料科学与工程学院教授、研究团队负责人江成宝说。

自旋电子学是一项新兴技术，它利用电子自旋来编码信息、加速数据处理、提高电路密度并降低能耗。自旋电子学的一个较新分支，称为光自旋电子学，使用光学或光来测量或控制电子自旋。

“这些光学各向异性特性可用于设计新型功能设备，包括光电探测器、线性偏振光发生器、应变传感器和人工突触设备，”北京航空航天大学的共同主要作者 Shengxue Yang 说。

VOCl 形成了钒、氧和氯原子的晶体结构，它只是众多可以机械分离成超薄层并表现出定向和定向相关物理特性的材料之一。石墨烯是蜂窝状结构中的单层碳，黑磷是一种结构类似于石墨烯但由磷原子组成的材料，其强度和导热导电能力均以黑磷为特征有可能在生物医学应用中替代毒性更强的石墨烯。

虽然二维材料的物理特性通常通过预测计算进行理论化，但超薄材料必须根据经验进行表征，以确认其机械、光学、磁性和其他特性。实验结果通常与理论计算一致，可用于确认合成材料的质量和成分。通过对超薄材料物理特性的经验确认，独特的特性可以用于未来新兴的纳米技术应用，包括量子计算、力传感和能量存储。

其他贡献者包括北京航空航天大学材料科学与工程学院的张天乐、杜建涛和姜成宝;中国科学院、中国科学技术大学极端条件强磁场实验室凝聚态物理安徽省重点实验室王文君;中国科学院纳米技术标准化与计量重点实验室、国家纳米科学中心纳米科学卓越创新中心吴克明、刘新峰;中国科学院纳米技术标准化与计量重点实验室、中国科学院纳米科学卓越创新中心、国家纳米科学中心、中国科学院大学的帅岳;天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室申万福、胡春光;闽江大学材料与化学工程学院和福建省功能海洋传感材料重点实验室吴明辉。

中国国家自然科学基金 (NSFC) 资助号 51972007 支持这项研究。