超材料前沿研究一周精选 2023年2月13日-2023年2月19日

索引：

1.微腔中超表面可调谐激光偏振

2.6GHz声表面波的扫描x射线衍射显微镜

3.范德华多铁材料CuCrP2S6的磁电各向异性

4.传统二维电子气上形成的三角超晶格人工费米面

5.激光切割液晶弹性体剪纸中拓扑图案和轮廓的形状变化

6.基于机械引导组装的纳米尺度三维制造

7.具有由形状记忆合金弹簧驱动的灵活脊柱的壁虎机器人

8.具有可调负热膨胀的轻质3D石墨烯超构材料

微激光器因其卓越的可调谐性和极具潜力的小型化光源而引起人们的广泛关注。微激光器的发展已经证明了其在激光方向、发射波长、手性和偏振等方面操纵激光特性的可能性，其中，操纵激光偏振态的能力是基础，但在偏振敏感成像、圆二色光谱等许多应用中至关重要。从原理上讲，受激发射光子在光腔内来回运动形成驻波，然后到达激光振荡。由于受激发射的相干特性，受激光子只能激发具有相同偏振态的新光子。因此，激光输出的偏振状态完全由初始泵浦激光偏振决定。随着激光的规模越来越小，下降到微米和纳米级，调整激光偏振已成为一个关键的挑战。多年来，科学家们一直在研究在微观到纳米尺度光学上操纵激光偏振的方法。传统方法利用线偏振器、四分之一波片(QWP)、半波片(HWP)等外部光学元件来控制激光发射的偏振状态。设计微/纳米结构或材料的光学特性是另一个被广泛接受的操纵激光偏振的概念，例如，通过微激光器件的外部或表面结构控制激光偏振。然而，通过光子在光学微腔内的往返行程来操纵激光偏振仍然是难以捉摸的。

近日，新加坡南洋理工大学Yu-Cheng Chen团队联合中国台湾省国立成功大学Pin Chieh Wu团队报道了一种基于超表面的激光偏振操纵策略，通过限制在有源光学腔内的光子往返。研究了微腔内超表面和光-超原子相互作用在激发发射过程中的作用。利用法布里-珀罗光流控微腔产生的强光反馈，放大了光-超原子之间的相互作用，产生了高纯度和可控性的偏振激光发射。此外，根据超表面结构取向的不同，微腔内源处激光发射的偏振态可以被主动调制为线偏振或椭圆偏振。超表面嵌入微激光腔的概念可以通过设计超表面的结构来控制不同的激光功能，如手性和涡旋光束。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）

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基于同步加速器的扫描x射线衍射显微镜(SXDM)是一种理想的无损检测工具，它可以直接测量纳米器件局部应变分布和探索纳米应变动力学行为。在过去，它被应用于长波长的声表面波（SAWs）时间分辨动力学的可视化和探测。

随着SAW器件往小型、高频和量子化发展，传统的测量手段如电射频反射或透射测量、激光干涉测量或原子力显微镜等方式已经很难满足要求。由于阻抗匹配问题，电学测量方式往往伴随着高频增加与幅值强度降低的矛盾。

近日，德国莱布尼茨研究所的S. Ludwig教授团队应用扫描x射线衍射显微镜，直接以高横向空间分辨率绘制了在砷化镓表面附近产生的完整应变场，波长λ为500 nm，对应的频率接近6 GHz。作者发现垂直于表面的晶格畸变与传播方向上的晶格畸变相比发生了相移，测量结果与模拟结果高度一致。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）

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10.1103/PhysRevApplied.19.024038

随着时代发展，存储技术已从白纸黑字发展到电子信息存储，在现代信息存储领域，某些材料的诸多物理性质都可以作为存储信息的“介质”，如铁电材料的电极化，铁磁材料的自旋极化等。其中有少部分多铁材料同时具备以上这两种特性，甚至具有明显的磁电耦合效应.与传统磁存储技术相比，这类多铁材料有望应用于更低功耗的新一代随机存储器件，通过调控多铁材料本征磁电各向异性，甚至可以实现对存储“介质”(如电偶极矩、自旋极化等)的多维度操控。二维(2D)范德华(vdW)具有稳定的层状结构，层内原子结合力较强，层间以范德华力相互结合。2D vdW材料本身就具备结构上的各向异性，因此表现出明显不同于传统材料体系的特殊物理性质。调控2D vdW材料的电极化和自旋极化的手段在量子信息存储领域展现出的明显优势，然而性能优越的本征2D vdW多铁材料极为罕见，仍有待发掘。

近日，北京工业大学王晓蕾副教授与其合作者通过化学气相传输法制备了vdW多铁材料CuCrP₂S₆，并发现其沿面内方向的电各向异性及磁各向异性。其中面内电各向异性是由不同轴向的扩散势垒所引起的，并导致了Cu离子迁移率以及不同方向电整流行为的差异，而磁各向异性是由Cr离子自旋取向所决定的。另外发现自旋翻转跃迁与特定磁子谐振模态有关，并且通过反铁磁共振测试的结果与利用Landau-Lifshitz模型和第一性原理计算得到的结果相一致。该工作对vdW多铁材料电、磁各向异性的研究具有重要意义，为高密度、低能耗及非易失性存储器件的多功能开发提供了理论依据。相关工作发表在《Nature communications》上。（袁铭谦）

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随着Moiré超晶格的出现，二维材料领域得到了极大的发展，通过调控Moiré超晶格层间扭角改变了能带结构，从而改变了光电特性，甚至可以通过改变栅极电压实现绝缘体的超导相变，这与较强的电子-电子相互作用有关。当Moiré超晶格中的扭曲角为某一特定数值时，其能带结构中会出现平带，这使得Moiré超晶格系统成为研究这些奇特电子相位的理想平台，然而受限于材料和制造技术，难以保证超晶格的有序性以及稳定的横向超晶格势，此外难以准确控制Moiré超晶格中的扭角大小，这也阻碍了对二维人工晶体能带结构的研究。

近日，澳洲新南威尔士大学Oleh Klochan等人将超空心高迁移率二维电子气与高分辨率电子束光刻技术相结合，制备了基于GaAs/AlGaAs异质结构上的可调谐人工Moiré超晶格，通过调节栅极偏压，可以从原始的GaAs能带结构和圆形费米面转变为具有多个人工费米表面的新型能带结构，结合磁输运测量结果发现重构费米面A₁与二维晶格势的可公度性振荡，以上结果表明低无序栅级可调的横向超晶格有望用于具有特定电子性能的人工二维晶体，该工作展示了传统半导体系统中的能带结构工程，为研究人工石墨烯超晶格、超导系统以及人造二维拓扑绝缘体提供了重要指导意义。相关工作发表在《Nano Letters》上。（袁铭谦）

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Daisy Q. Wang, Zeb Krix, Oleg P. Sushkov, et al. Formation of Artifcial Fermi Surfaces with a Triangular Superlattice on a Conventional Two-Dimensional Electron Gas Nano Lett. ASAP (2023).

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04358

具有可逆性和可重构性的软材料在生物医学、柔性电子产品、人造肌肉和软体机器人技术中具有巨大的潜在应用。动态控制软材料内部的三维形状对光、热、电场等刺激所产生的响应与实验设备结合，可以实现设备的功能多样化。为了引起局部各向异性变形，必须将各向异性弹性体整合到各向同性的软材料中，在形成的各向异性结构复合材料中实现外部刺激下的各种变形结构。液晶弹性体(LCE)是有序交联聚合物，很容易因热、光等外部刺激而改变形状，与上述各向同性对应物相比，LCE具有固有的各向异性弹性，因此，能够通过改变其液晶排序来产生各向异性的力学响应。精确控制LC分子的平均取向对于实现复杂、可编程和可逆的形变是必要的。Kirigami是一种日本剪纸艺术，可以通过剪纸来定义局部几何形状，用于控制具有空间形态变化性能的LCE分子的方向，然而，研究局部拓扑缺陷的LC导向器如何驱动不同宏观几何形状的剪纸结构中的局部各向异性变形仍然存在很多问题。

近日，中国科技大学物理学院彭晨晖教授团队通过将LCE中的各种拓扑模式与激光切割实现的剪纸设计相结合，在所提出的平台中对导向器和几何配置进行编程来创建复杂的形状转换。研究人员在整体LCE kirigami中合成、远程编程和建模复杂的可逆变形，在其微观结构中使用预先设计的拓扑模式进行编码，通过结合不同的拓扑微观结构和剪纸几何形状，获得了丰富多样的形状变换，包括拉胀结构和起伏形态。同时，所建立的动力学模型很好地预测了其时空变形行为，表明所切割的几何形状与材料中定义的局部拓扑缺陷导向器轮廓共同引发了复杂的形状变化。相关团队还展示了多种驱动功能，包括仿生扑翼蝴蝶、顺时针（CW）与逆时针(CCW)旋转的轻型磨坊、以及具有双模式运动的LCE整体。相关研究成果发布在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（孙嘉鹏）

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https://doi.org/10.1021/acsami.2c20295

对复杂的三维（3D）微/纳米结构的日益增长的需求激发了相应的制造技术的发展。在这些技术中，基于机械引导组装的三维制造具有广泛的材料兼容性、高可设计性和应变下的结构可逆性，但由于纳米制造和设计技术的瓶颈，不适用于纳米级器件制备。

近日，韩国先进科学技术学院的 Inkyu Park教授团队开发了一种基于机械引导组装的纳米尺度3D制造方法，允许合理设计屈曲构型，并制备宽度小至50 nm的结合和悬浮位点。为了实现这一目标，作者将设计和制造作为三维制造的两个主要部分。制造部分是使用亚10纳米厚度的弹性体基底上的共价键辅助粘合剂并且选择性蚀刻纳米结构模具实现的。在设计部分，使用微小结构图形来调节弹性体的力学特性，从而能够合理地设计和预测给定的二维图案的方向、偏转和模式。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-023-36302-9

大多数四足伸展姿势的脊椎动物，如壁虎和蜥蜴，均采用与四肢运动协调的躯干周期性横向摆动运动模式，这种运动模式可以提供较高的灵活性和机动性。目前，大多数受壁虎启发的仿生机器人研究都采用了刚性躯干的结构，这些研究主要是将壁虎足部结构应用到机器人上，这类机器人从而具有出色的粘附与解吸机制和空间转换能力。但由于刚体结构柔顺性较差，机器人的姿态难以实现动态调整，因此仿壁虎机器人和真实壁虎的运动性能存在很大差异。

近日，南京航空航天大学机电学院陈光明讲师团队提出了一种具有由形状记忆合金(SMA)弹簧驱动的灵活脊柱的仿壁虎式机器人。研究人员测量了SMA弹簧的静态参数，证明SMA弹簧驱动的柔性脊柱可以双向偏转。同时，建立了脊柱机构的运动学模型，系统地分析了SMA弹簧的热力学行为与脊柱偏转之间的数学关系，当壁虎以横向摆动模式小跑时，身体和脊柱分别呈驻波状和单峰C型曲线。此项研究将脊柱侧偏和小跑步态结合在一个脊柱和四肢的协作模型中，详细描述了腿关节变量和脊柱偏转角度之间的具体关系，还对仿壁虎机器人样机进行了直线和转弯爬行实验，使用四台高速摄像机记录了身体各点的运动轨迹，验证了所提出模型的准确性。研究人员通过使用具有不同占空比的脉宽调制(PWM)信号来改变输入功率，调节焦耳加热温度从而控制柔性脊柱偏转角。从获得的结果可以看出，与刚体躯干结构相比，具有柔性脊柱的机器人具有更长的步幅、更高的速度，大大减小的转弯半径。相关研究工作发表在《Soft Robotics》上。（孙嘉鹏）

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https://doi.org/10.1089/soro.2022.0080

热膨胀是材料最常规的性能之一，反映了材料响应周围温度变化而发生的形变。热膨胀产生的应力叠加会显著提高热-力耦合条件下轻质材料的内应力水平，使其容易因应力集中、塑性变形、裂纹扩展、疲劳失效等现象而导致力学性能和结构鲁棒性的退化。可以通过机械增强或化学改性来抑制热膨胀，但这并不能完全消除较高温度下原子间距增大的内在限制带来的相关负面影响。超构材料克服了传统材料中工程材料多种功能之间的权衡的新方法。具有负热膨胀（NTE）系数的热超构材料可以允许现有热性能的异常改善。它们可以导致机械变形诱导应力的内部应力水平显著降低，超过了接近零或正指数的常规材料。在种类繁多的碳纳米材料中，3D轻量级石墨烯结构是各种石墨烯衍生物中最有前景的形式之一。然而，目前报道的大多数3D石墨烯结构对固有脆性、拉伸/剪切应力和石墨烯片之间界面的滑动表现出较差的抵抗能力。这些石墨烯块体在循环热力耦合作用下往往表现出早期断裂、抗疲劳性能差、结构退化等问题，极大地限制了其在工程中的适用性。

近日，兰州大学张强强教授团队采用了2D石墨烯片的π-π堆叠组装，在正交方向的双温度梯度下采用双曲定向冷冻策略制备了具有负热膨胀的3D石墨烯超构材料（GM）。作为3D GM的基本构建单元，石墨烯片表现出异常的收缩变形，其热膨胀系数为(-6.12±0.28)×10^-6，这是由C-C键的热诱导的平面外振动触发的。通过数值模拟和实验研究相结合的方法，验证了在微观尺度的负热膨胀（NTE）行为可以有效地传递给可扩展的3D GM候选材料，而不是基本的2D石墨烯。3D GM结构表征的多尺度设计和优化进一步实现了NTE性能的理想调控，NTE系数从负值(-7.5±0.65)×10^-6K^-1到近零值(-0.8±0.25)×10^-6K^-1。这归因于NTE对微结构的主应力/应变的释放调控，3D GM在热-力耦合条件下表现出高的热稳定性，同时保持了理想的结构鲁棒性和抗疲劳性。因此，这种3D GM在防护皮肤、热致动器、智能开关和填料等方面具有广阔的应用前景。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

P. He, T. Du, K. Zhao, et al. Lightweight 3D Graphene Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion[J]. Adv Mater, 2022: e2208562.https://doi.org/10.1002/adma.202208562

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