中国科学院深圳先进技术研究院丁宝福团队AFM：基于氟化石墨烯液晶的深紫外电光调制器

液晶材料是现代显示与光电器件的基石。其中，石墨烯基液晶因其具有极限大的几何各向异性，其电响应灵敏度比传统有机液晶高出三到四个数量级，并已成功开发出电极间距达厘米级的电光克尔器件。然而，石墨烯基液晶受限于其本征窄带隙特性，光学透过率较低，影响了器件整体性能。氧化石墨烯虽通过带隙调控提升了长波可见光与近红外区域的透过率，但对于深紫外等短波光仍因带隙窄而导致透光率低。同时，这类材料的功能化过程难以精确控制，会引入大量缺陷和官能团，因此使得电场响应灵敏度的可靠性不足。因此，开发兼具超宽带隙与可控电光响应能力的新型石墨烯基液晶材料，是突破透射式深紫外电光调制技术瓶颈的有效途径。

中国科学院深圳先进技术研究院丁宝福团队报道了一种新型二维氟化石墨烯液晶（FGLC）。该材料巧妙地通过氟原子掺杂，将石墨烯的光学带隙成功打开至5.5 eV以上。团队通过精细调控材料的氟碳比，实现了对材料电光响应性能的优化，其比电光克尔系数提升至10^-2 m V^-2量级，较传统液晶提升了约四个数量级，成功实现了“高透光”、“巨克尔系数”及“可控电响应”三大核心性能的协同统一。基于此突破性材料，团队进一步研制出性能稳定、调控精准的深紫外电光调制器，并创新性地将其应用于模拟的海-陆-空多通道深紫外光通信系统中，完成了从材料创新到器件验证、再到概念应用的全链条展示。

本研究采用温和的液相剥离技术，成功制备了一系列的二维氟化石墨烯材料。该方法在保持材料的高几何各向异性比（＞10³）的同时，有效抑制了剥离过程中的脱氟与氧化（图1）。氟化石墨烯氟碳比最高为1.12，其光学带隙高达5.5 eV，有效确保其在220-400 nm深紫外波段透光率高于50%。研究进一步表明，通过调节氟碳比可在一定范围内调控材料带隙，均大于5 eV，证明该系列材料适用于可控的深紫外光调制。此外，团队系统研究了氟化石墨烯液晶的相变行为，观测到其在0.19 vol%和0.33 vol%浓度下发生两次明确的相转变。

图1 氟化石墨烯液晶的合成、表征和相图

在电光性能方面，研究通过对比开/关电场的条件下的可见光的透光情况，直观展示了氟化石墨烯的电光响应性能，其双折射率也随着电场强度单调增加直至饱和，且随材料浓度升高而增强，证实了其显著且可控的电光克尔效应（图2）。研究进一步提取了反映材料电光响应灵敏度的关键参数——克尔系数K，发现其克尔系数与材料浓度φ呈线性正比，其斜率即为比电光克尔系数K_s，实验测得值为突破了10^-2 m V^-2，较传统液晶高出约四个数量级。此外，研究还发现氟碳比也与克尔系数呈现近线性的单调递增关系，表明氟掺杂是精准调控氟化石墨烯性能的有效手段。此外，通过对比发现光偏振方向平行于电场时的透光率低于垂直情况，证实了氟化石墨烯纳米片倾向于沿电场方向排列。稳定性方面，在加速老化测试中，发现氟化石墨烯的电控开关性能在持续5 h的深紫外辐照下，开关比无衰减，展现出显著优于传统有机液晶的深紫外光稳定性。

图2氟化石墨烯的电光响应性能

基于前述高性能氟化石墨烯材料，团队进一步设计了透射式深紫外电光调制器，并概念性验证了其在日盲紫外光通信中的应用潜力（图3）。实验结果清晰展示了其工作效能：接收端还原的信号与施加在调制器上的输入电压高度吻合，可通过设定不同的调制电压（如5 V mm^-1与7 V mm^-1）稳定对应二进制码“0”和“1”。基于此二进制编码能力，研究团队成功演示了深紫外光文本传输：将英文字母“S”、“I”、“A”、“T”编码为四组不同的电压序列进行发送，接收端将解码后的数字按5×5阵列排列，成功恢复了原始字母图案。

图3 基于氟化石墨烯液晶的深紫外电光调制器深紫外通讯

得益于体系优异的信号保真度，研究还实现了深紫外光的三元编码调制（图4）。通过分别施加5 V mm^-1、7 V mm^-1和9 V mm^-1的电场，可稳定编码三元比特“0”、“1”和“2”，输出信号保真度高、码间区分清晰。该三元调制模式为空间分布的多通道通信提供了新思路。因此，团队设计了一个概念验证场景：物流控制中心借助单一深紫外光源与多个调制器，可同步向不同终端（如仓库、机场、港口）发送三元编码的调度指令。在模拟演示中，货物依照指令在陆、海、空终端间有序协同转运，全程通信稳定可靠。

与传统深紫外通信依赖多光源的内部调制模式相比，该外调制架构仅需单一光源，通过外部调制器加载信号，不仅显著降低深紫外LED的开关损耗、延长其寿命，更从根本上避免了多光源差异带来的信号失配与噪声问题，为发展高效、稳定的多通道深紫外光通信提供了新的技术途径。

图4深紫外电光调制器的三元编码与通信

中国科学院深圳先进技术研究院丁宝福为论文通讯作者。课题组也常年招收液晶或分离膜方向的博后，也欢迎有志青年加入课题组，或来函咨询。

联系人：bf.ding@siat.ac.cn。

论文信息：

Deep-ultraviolet electro-optic modulator based on fluorographene liquid crystal

Sheng Wei, Wenjun Kuang, Siyuan Tian, Feng Wang, Rui Gong, Fufang Xu, Baofu Ding*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202530639