二維鐵電材料CIPS突破短波長光調控極限，開啟集成光子新路徑

荷蘭代爾夫特理工大學與拉德堡德大學的研究人員發現，二維鐵電材料CuInP2S6（CIPS）能夠實現對藍光與紫外光的傳輸路徑及性質進行調控。研究人員表示，這種調控程度是任何已知材料都無法比擬的。此外，CIPS可集成于芯片之上，應用于集成光子學領域。

藍光與紫外光在芯片制造、高分辨率顯微技術及下一代光通信系統中發揮著關鍵作用。因此，增強芯片上對這類短波長光的調控能力，對未來光學與半導體技術的發展至關重要。

芯片內部的二維晶體示意圖，展示了光（藍色）與晶體電場（綠色）的耦合過程

CIPS是一種原子層狀鐵電材料，其內部因銅離子位移而形成固有的電偶極子，且這些銅離子可在結構內部移動。該材料的獨特之處在于，銅離子的運動強烈依賴于二維晶體的厚度。研究團隊發現，這種依賴厚度的鐵電行為可被利用來實現依賴于厚度的折射率調控。

論文共同第一作者Houssam El Mrabet Haje表示：“從塊體材料到僅數十納米厚的薄層，CIPS的折射率以意料之外的‘反常’方式變化了接近25%。”

雖然完整的機理仍有待闡明，但研究團隊提出了CIPS晶體內部一種新的作用機制。

“光攜帶振蕩的電場和磁場；在CIPS中，這些場不僅與電子耦合，還與銅離子位移產生的內部電場耦合，”El Mrabet Haje解釋道，“CIPS的特殊性在于，銅離子的排布方式以及由此產生的材料與光的耦合關系，會隨晶體厚度而改變。這意味著只需選擇合適的CIPS厚度，即可實現對光學響應的調控。”

該項目首席研究員Mazhar Ali指出，CIPS并非唯一具有這些特性的材料。他們發現鐵電極化與可移動離子共同調控光-物質相互作用的機制，可能也適用于其他鐵電材料。因此，這項工作揭示了一個更廣泛的設計原則：通過設計含有可調制內部電場的移動離子的材料，為在寬波長范圍內調控光提供新工具。

El Mrabet Haje補充道：通過進一步研究，基于CIPS的結構有望為集成電光學提供可調諧的紫外/藍光組件——其調控不僅依賴電子，更源自僅數十納米厚的晶體內部離子運動。

研究團隊還發現CIPS在藍光-紫外波段展現出巨大的雙折射效應：垂直于晶體平面傳播的光所經歷的折射率，與在平面內傳播的光存在顯著差異。在約340nm波長處，該差異達到約1.24，這是該光譜范圍內迄今報道的最大本征雙折射值。

El Mrabet Haje指出：“這意味著CIPS可作為短波長光的極強偏振與相位控制元件，且無需復雜的納米結構加工。”