响应型光子晶体因其可调控的周期性结构和对特定频率光波的有效控制，被认为是一种新型智能材料并在下一代纳米光子技术中具有广阔的应用前景，但精细的微观结构和复杂的制备工艺要求为其发展带来了重大挑战。在众多有机和无机材料当中，液晶材料既具有晶体的微观分子排列结构又具有液体的宏观流动性，因此可自组装形成周期性结构且对外界刺激保持高敏响应，是制备响应型光子晶体的一种理想材料。
杨槐教授课题组通过聚合物稳定蓝相自组装立方晶格微纳结构的方法制备了一种具有电场调控特性的三维蓝相液晶光子晶体薄膜，其光子带隙在-30℃～60℃范围内表现出优异的热力学稳定性能。室温条件下，该薄膜在直流电场作用时表现出光子带隙非对称双向移动的电场响应特性，且光子带隙的位置受电场方向和场强大小调控，移动范围可覆盖可见光波段。基于该种材料可制备低激发阈值的电调谐蓝相液晶激光器，激光波长调控范围可达22nm。
蓝相液晶光子晶体电场响应示意图：（a）无电场；（b）施加负向电场；（c）施加正向电场
通过一系列对比实验发现聚合物网络的存在和结构对薄膜电场响应特性起至关重要的作用。扫描电镜图片表明该薄膜具有自上而下密度逐渐降低的非均匀聚合物网络结构。在直流电场作用下，带正电的聚合物网络受定向电场作用力发生移动且运动方向受电场方向控制，从而造成蓝相晶格结构的拉伸或压缩，进而表现出光子带隙的双向移动。研究者认为，通过控制液晶盒厚、聚合温度、可聚合单体质量分数、紫外光强度等实验条件，可定性地控制蓝相三维周期性结构中聚合物网络的形貌和微观结构，进而制备出具有多种电场响应特性的蓝相液晶光子晶体。该种电场响应型三维柔性液晶光子晶体薄膜材料的响应时间快，重复性和稳定性良好，有望在反射型液晶显示、可调光栅、可调激光器等领域获得广泛应用。
论文第一作者是北京大学工学院材料科学与工程系博士生王萌。本研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
编辑：安宁
