二维铁电材料CIPS突破短波长光调控极限，开启集成光子新路径

荷兰代尔夫特理工大学与拉德堡德大学的研究人员发现，二维铁电材料CuInP2S6（CIPS）能够实现对蓝光与紫外光的传输路径及性质进行调控。研究人员表示，这种调控程度是任何已知材料都无法比拟的。此外，CIPS可集成于芯片之上，应用于集成光子学领域。

蓝光与紫外光在芯片制造、高分辨率显微技术及下一代光通信系统中发挥着关键作用。因此，增强芯片上对这类短波长光的调控能力，对未来光学与半导体技术的发展至关重要。

芯片内部的二维晶体示意图，展示了光（蓝色）与晶体电场（绿色）的耦合过程

CIPS是一种原子层状铁电材料，其内部因铜离子位移而形成固有的电偶极子，且这些铜离子可在结构内部移动。该材料的独特之处在于，铜离子的运动强烈依赖于二维晶体的厚度。研究团队发现，这种依赖厚度的铁电行为可被利用来实现依赖于厚度的折射率调控。

论文共同第一作者Houssam El Mrabet Haje表示：“从块体材料到仅数十纳米厚的薄层，CIPS的折射率以意料之外的‘反常’方式变化了接近25%。”

虽然完整的机理仍有待阐明，但研究团队提出了CIPS晶体内部一种新的作用机制。

“光携带振荡的电场和磁场；在CIPS中，这些场不仅与电子耦合，还与铜离子位移产生的内部电场耦合，”El Mrabet Haje解释道，“CIPS的特殊性在于，铜离子的排布方式以及由此产生的材料与光的耦合关系，会随晶体厚度而改变。这意味着只需选择合适的CIPS厚度，即可实现对光学响应的调控。”

该项目首席研究员Mazhar Ali指出，CIPS并非唯一具有这些特性的材料。他们发现铁电极化与可移动离子共同调控光-物质相互作用的机制，可能也适用于其他铁电材料。因此，这项工作揭示了一个更广泛的设计原则：通过设计含有可调制内部电场的移动离子的材料，为在宽波长范围内调控光提供新工具。

El Mrabet Haje补充道：通过进一步研究，基于CIPS的结构有望为集成电光学提供可调谐的紫外/蓝光组件——其调控不仅依赖电子，更源自仅数十纳米厚的晶体内部离子运动。

研究团队还发现CIPS在蓝光-紫外波段展现出巨大的双折射效应：垂直于晶体平面传播的光所经历的折射率，与在平面内传播的光存在显著差异。在约340nm波长处，该差异达到约1.24，这是该光谱范围内迄今报道的最大本征双折射值。

El Mrabet Haje指出：“这意味着CIPS可作为短波长光的极强偏振与相位控制元件，且无需复杂的纳米结构加工。”