国科大杭州高等研究院化材学院陈航榕教授工作室张秋红副研究员与新加坡国立大学郭强兵博士/仇成伟教授等合作者发现二维晶体NbOCl2具有超高的面内光学各向异性，包括99%的面内线性二色性和透明窗口高达0.46的面内双折射。上述研究成果以“Colossal in-plane optical anisotropy in a two-dimensional van der Waals crystal”为题近期发表于国际顶级学术期刊Nature Photonics。
偏振性被广泛应用于量子光学、光学成像、高维信息编码、光通讯等领域。偏振的调控及其功能化是现代光学的一个重要部分，高光学各向异性材料对于发展高性能偏振片、光学波片和相位匹配器等光学元件具有重要意义。光学各向异性常见于具有各向异性结构的晶体中。虽然无机各向异性晶体应用广泛，但其光学各向异性通常较低，必须通过延长光程来积累足够的相位差或者消光度；而液晶和超材料/超表面虽然可以提供高光学各向异性，但在稳定性、集成性、光学损耗和加工工艺等方面仍面临挑战。理想的解决方案之一是找到一种具有高光学各向异性且易集成的晶体，以满足偏振光子器件小型化、集成化的紧迫发展需求。
二维范德华材料层间为范德华键合，不但带来易集成的优点，而且引起很强面外光学各向异性（因面外范德华键能较面内共价键/离子键能低1个数量级以上）。但是面外光学各向异性不利于构建实际偏振光学器件，常见二维晶体面内各向异性远小于面外各向异性；其他已报道具有面内光学各向异性的二维晶体，如ReS2、黑磷等，在常用的紫外-可见-近红外波段光学各向异性较小。
图1. NbOCl2晶体结构和面内线性二色性表征。
作为一种新型二维范德华晶体，NbOCl2具有高度各向异性的晶体结构（图1）。在NbOCl2晶体中，Nb4+离子与两个等价的O2-离子和四个Cl-离子结合，形成扭曲的NbCl4O2八面体。在平面内，该晶体沿b轴和c轴表现出显著的化学差异，分别形成-O-Nb-O-链和-Cl(2)-Nb-Cl(2)-链（图1a）。通过原子分辨率的环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）观察，c轴方向的结构性Peierls畸变清晰可见（图1c）。偏振依赖的透射光谱显示（图1d-f），在紫外光谱波段，如对于厚度为120 nm的NbOCl2薄片，偏振沿平面内两个轴的透射率差别巨大：c轴方向几乎完全吸收光线，而b轴方向的透射率高达80%。进一步的测试揭示了接近100%的线性二色性（LD），并且这种性质是材料本身的特性，无需任何腔体增强效应。通过第一性原理计算，研究人员发现NbOCl2在沿着两个平面内晶轴方向表现出高度各向异性的电子行为。具体而言，价带（VB）和导带（CB）在b轴方向上表现出高度色散性，而在c轴方向上则相对平坦（图1g）。这种电子结构导致了沿c轴方向偏振的强吸收和沿b轴方向偏振的弱吸收（图1h），进一步证实了实验观察到的光学各向异性。与其他已知的范德华材料相比，NbOCl2在紫外范围内的线性二色性接近100%，远高于其他材料（通常不超过60%）（图1i）。
图2. NbOCl2的面内光学常数和双折射。
此外，通过详细表征其沿不同晶轴的光学常数（图2a，c），发现NbOCl2还具有很高的面内双折射（图2b，d）。在其透明窗口内，面内双折射达0.26-0.46，明显优于传统的双折射晶体（图2e，包括传统光学晶体中双折射记录保持者-金红石（~0.26））；相比于其他已报道面内双折射二维晶体，NbOCl2有更高的双折射/更宽的透明窗口（图2f）。值得注意的是，NbOCl2的面内双折射在紫外波段（如280 nm左右）甚至达到~2.1。深入的机理研究表明，NbOCl2的超高面内双折射除了与其高度各向异性的晶体结构有关外，更有意思的是，其结构Peierls畸变也对其各向异性电子结构产生了巨大影响，进而增强了其面内各向异性光学响应（图3）。
图3. 高面内双折射的机理研究。
综上，本研究在一种新的二维晶体NbOCl2中发现了超高的面内光学各向异性：其在紫外波段具有接近理论极限的面内线性二色性（99%），并且透明窗口的面内双折射达0.26-0.46，超高的面内光学各向异性使得NbOCl2成为构建超紧凑集成偏振光学元件和光电子器件的理想材料。这一发现有望重新点燃对范德华材料在紫外-可见-近红外光谱范围内偏振光学及相关器件研究的兴趣。
论文第一作者是新加坡国立大学郭强兵博士和国科大杭州高等研究院张秋红副研究员，通讯作者是新加坡国立大学郭强兵博士和仇成伟教授。该研究工作得到了浙江省自然科学基金、国科大杭高院研究项目等经费的支持。
