2025年3月15日，Elsevier旗下表面科学领域顶级期刊《Applied Surface Science》刊发精密仪器研究中心（以下简称研究中心）团队在光学各向异性材料领域最新成果，题为“Tunable optical anisotropy and multiplied-enhancement birefringence of α-MoO₃under in-plane strain by first-principles calculations（通过第一性原理计算预测α-MoO₃在面内应力作用下的可调光学各向异性和倍增双折射效应）”。研究中心已毕业博士郭正峰为论文第一作者（现为清华大学博士后），刘世元教授和谷洪刚教授为通讯作者，清华大学孙竞博副教授和周济教授为论文共同作者。

低对称材料的光学各向异性提供了独特与额外研究维度和物理特性，例如材料的双折射Δn以及二向色性Δk，这是各向同性材料所不具备的。同时，充分且合理地利用材料的光学各向异性，能够设计并制备偏振相关器件，如偏振器、偏振转换器等。在这些低对称材料当中，α-MoO₃因其合适的带隙E_g（= 3.13 eV）与双折射（Δn= 0.1）特征，成为其中的研究代表与热点。然而，若考虑实际的应用场景与需求，α-MoO₃的双折射仍有提升的空间。因此，需要通过一些外部激励的方式，进一步提高其双折射Δn。此外，如果α-MoO3的光学各向异性能在外部刺激下变得可调，那么基于α-MoO3的器件相应地也就实现了可调谐。

相比其他调控手段，应力在实验上相对容易实现，且方法多样，例如使用柔性或图案化基底、晶格失配、原子力显微镜尖端等。此外，应变调制在第一性原理计算中也易于实施，只需改变材料在相应应变下的晶格常数即可。更为重要的是，应变调制精细且可控，可沿不同方向施加大小可调的应力。例如，可施加单轴或双轴的拉伸或压缩应变，这对各向异性材料尤为重要。然而，目前仅有少数理论研究定量探讨应变下的光学各向异性，对应力调控α-MoO₃的光学性质目前尚属研究空白。此外，理论研究者往往只展示应变下的结果，如各向异性复折射率、各向异性吸收系数等，缺乏进一步的分析讨论以揭示背后机制。

基于上述研究背景，本研究以α-MoO₃为研究对象，采用第一性原理计算并预测在平面内应力作用下的α-MoO₃的光学各向异性变化规律及其背后的作用机制。

图1 平面内应力作用下的α-MoO₃的起始工作波长与双折射的变化规律及其与其他双折射材料的比较

如图1所示，通过沿a-MoO₃平面内a轴和c轴方向分别施加压应力和拉应力，以及沿上述两个方向施加双轴拉应力和压应力，采用第一性原理计算方法系统性研究了双折射材料a-MoO₃的起始工作波长与双折射Dn的变化规律。结果表明，随着应力从压应力（负值）转变为拉应力（正值），沿a轴施加应力时，起始工作波长发生蓝移，双折射Dn从最大值0.288逐渐降低为负值；而沿c轴施加应力时，起始工作波长红移，双折射Dn则呈现近似线性增加的趋势。进一步分析双轴应力下的结果发现，起始工作波长也发生红移，与a轴应力行为类似；双折射Dn的数值介于a轴和c轴单轴应力调控的结果之间，表明双轴应力对双折射的调控是a轴和c轴应力共同作用的结果。值得注意的是，沿a轴施加10%拉应力时，此时的双折射Dn达到最大值，并且是无应力状态下双折射Dn绝对值的4.36倍，也远高于其他双折射材料（例如石英和氟化镁等）和一些新型低维低对称材料（如黑磷等），充分展现了应力调控a-MoO₃光学各向异性与双折射的巨大潜力。

图2 平面内应力调控α-MoO₃起始工作波长与双折射的作用机制

如图2所示，第一性原理计算进一步揭示应力作用下起始工作波长与双折射变化的作用机制。对于起始工作波长而言，其变化趋势与应力作用下的带隙变化规律呈现出明显的正相关与相似性。进一步分析导带底（CBM）与价带顶（VBM）随平面内应力的变化情况，其结果表明，带隙主要受到CBM的影响较大。因此，平面内的应力通过改变CBM实现对带隙的调控，进而实现起始工作波长的红移或蓝移。采用第一性原理计算了沿-z方向（a轴负方向）和-y方向（c轴负方向）的离子偶极变化，以揭示应力作用下的双折射变化的作用机制。研究发现，离子偶极的变化规律与双折射的变化趋势高度一致，表明应力通过改变材料的电学性质，进而调控其光学各向异性。

论文信息:

Z. Guo, J. Sun, J. Zhou, H. Gu, and S. Liu, "Tunable optical anisotropy and multiplied-enhancement birefringence of α-MoO₃under in-plane strain by first-principles calculations," Appl. Surf. Sci. 685, 162059 (2025).