超材料前沿研究一周精选 2020年4月20日-2020年4月26日

印刷技术在电子和传感器等许多应用中受到越来越多的关注，因为它具有低成本、低材料消耗、高可扩展性、利用纳米材料的新特性的机遇以及使用高通量和增材制造的优势。然而，常用的打印技术，包括喷墨打印、凹印、和丝网印刷，其可扩展性和分辨率(微米或亚微米尺度)有限。另一方面，基于定向装配的打印技术具有可扩展性，能实现数十纳米的高分辨率。定向装配是通过在纳米元素上施加电场、磁场、光场、流场等外部场来实现的，并引导纳米元素到达目标位置形成功能结构。然而无论是施加电场、磁场、光场还是流场，都存在一定的局限性，例如，电场定向组装利用电泳和介电泳力来定向纳米元素。虽然在组装各种纳米材料时，电场导向组装显示出高通量、高可扩展性和高分辨率，但导电衬底需要产生电场，这限制了印刷结构在电子设备中的潜在应用。

近日，美国东北大学高速率纳米科学与工程中心Ahmed A. Busnaina课题组报道了一种基于定向组装的印刷技术——界面对流组装技术，该技术利用基材-加热-诱导的溶性马兰戈尼对流流动来驱动粒子向图案基材运动，然后利用范德华相互作用力和几何约束将粒子困在图案区域内。实验中，作者研究了混合溶剂类型、衬底温度、颗粒浓度、组装时间等不同组装参数对印刷质量的影响。结果表明成功组装的不同形状的不同种类的纳米颗粒分辨率达到25 nm。此外，装配只需要几分钟，比传统的对流装配快两个数量级。尺寸较小(直径小于5 nm)的纳米颗粒在组装过程中容易结合，形成烧结结构。界面对流组装具有高通用性、高分辨率和高通量，为打印下一代纳米电子和传感器开辟了新的应用前景。相关研究工作发表在《Advanced Materials》上。（丁雷）

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Zhimin Chai,et al. High-Rate Printing of Micro/Nanoscale Patterns Using Interfacial Convective Assembly. Adv. Mater. 2020.DOI: 10.1002/adma.202000747

光学成像具有非破坏性，是生物医学中不可缺少的重要组成部分。无标记成像，如定量相位成像(QPI)和分子振动成像(MVI)，对于研究脆弱系统十分有价值，因为在脆弱系统中外源性标记往往会破坏样本，因而不是首选的方法。QPI产生特定于样品的2D光学-相位延迟或3D折射率(RI)的分布，这是用于在暗场、相位对比度和差分干涉对比度显微镜下观察透明样品形态的基本量。与传统方法相比，通过扰动光波波前将其相位耦合为振幅，通过QPI直接量化光相位延迟或RI可以获得高对比度、高空间分辨率的平滑图像，从而实现精确的细胞轮廓。它的基本功能是将测量到的QP转化为细胞干质量密度，这使得细胞生长速率和许多其他应用的量化成为可能。另一方面，MVI提供了基于拉曼散射或中红外(MIR)吸收的分子键的综合光谱信息。总之，QPI和MVI技术在过去几十年里不断成熟，为许多领域得到了广泛的应用;然而，由于依赖于不同的光物质相互作用，因此它们的无标记对比本质上是互补的，很难整合。

近日，日本东京大学物理系Miu Tamamitsu等人提出了一种统一的成像方案，利用中红外光热效应，同时能在QPI框架中原位获取单个细胞的定量相位和分子振动对比。亚细胞形态学和生物化学无标记测量的强有力的整合可能使新的分析成为可能，特别是用于研究复杂和易受外界环境干扰的生物现象，如药物递送、细胞疾病和干细胞培育，需在低光毒性条件下对未受干扰的细胞进行长时间的观察。相关研究工作发表在《Optica》上。（丁雷）

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Miu Tamamitsu et al, Label-free biochemical quantitative phase imaging with mid-infrared photothermal effect,Optica(2020).

doi.org/10.1364/OPTICA.390186.

机器人技术的最新研究进展使不同规模的软电子设备具有良好的生物相容性和机械性能;这些研究结果表明，机器人的丰富功能适用于不同的医学应用,如诊断和药物输送、软手术工具、人机交互(HMI),可穿戴计算、健康监测,辅助机器人,皮肤和假肢等。电子皮肤(e-skin)和人体皮肤在某些方面具有相似的特征,比如机械耐用性、拉伸性、测量温度，压力等各种感觉的能力。此外，通过整合先进的生物电子材料和设备，电子皮肤的功能可以超越普通人类皮肤。然而，现有的电子皮肤传感平台利用电池或近场通信的能量来监测物理参数。而要想让电子皮肤应用于下一代机器人和医疗设备，它们必须能够无线操作，而且是自供电的。然而，尽管最近有科学家努力从人体获取能量，但由于缺乏持续的能量来源和有限的电力效率，具有蓝牙生物传感功能的自供电电子皮肤受到了限制。

近日，美国加州理工学院医学工程系You Yu等人报道了一个机械灵活的，完全集成的、充分利用汗液供电的集成电子皮肤(PPES)，用于原位实时、连续、多路代谢传感。无电池的电子皮肤包含多模态传感器和高效乳酸生物燃料电池，利用独特的零到三维纳米材料的集成技术，以实现高功率强度和长期稳定性的要求。PPES在未经处理的人体体液(人体汗液)中为生物燃料细胞提供了前所未有的3.5 mW·cm²的功率密度，并在60小时的连续运行中显示出非常稳定的性能。该传感器有选择地监测关键代谢分析物(如尿素、NH4+、葡萄糖和pH值)和长期体育活动期间的皮肤温度，并使用蓝牙将数据无线传输到用户界面。此外，PPES还能够监测肌肉收缩，并作为人-机接口用于假肢行走。这种多模态、完全集成和自供电平台的发展丰富了电子皮肤的功能，拓宽了其应用潜力，为许多机器人和可穿戴医疗设备的开发，如个性化医疗打开了大门。相关工作发表在《Science Robotics》上。（丁雷）

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You Yu,et al, Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces. Sci. Robot(2020).

DOI: 10.1126/scirobotics.aaz7946.

硅基光子学是实现光子集成电路的优异平台。硅基光子学与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容。同时，在绝缘体上硅(SOI)平台上，硅与硅包层之间具有较高的折射率对比度，因此能够进行高密度集成。具有高品质因子和较小尺寸的微环谐振器是硅基光子学中一个重要的器件，被广泛应用于微波滤波器、激光器、传感器、非线性、量子光学中。然而，由于制造缺陷，品质因子通常受到粗糙侧壁引入的散射损耗的限制。

近日，来自浙江大学的研究团队提出并实验验证了一种基于均匀多模硅光子波导的超高品质因子硅基跑道型谐振器。该谐振器由两个多模直波导和两个基于修正Euler曲线的多模弯曲波导（mwb）组成，能够实现紧凑的180°弯曲同时具有最大的自由光谱范围。弯曲定向耦合器用于实现基模的选择性模式耦合，而不激励波导中的高阶模式。采用这种设计，研究人员成功在超低损耗、低模间耦合的多模跑道型谐振器中激发和传播基模。硅光子波导宽度为1.6μm，多模弯曲波导有效半径为29μm，加载品质因子约为1.3×10⁶，FSR约为0.9nm。通过改变直波导的长度能够对自由光谱范围进行调节。根据洛伦兹曲线拟合，该器件本征品质因子约为2.3×10⁶，相应的波导损耗约为0.3db/cm。这种具有超高品质因子的硅光子谐振器有望在微波光子滤波器和光学传感器等应用中发挥重要作用。（朱学艺）

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Long Zhang, Lanlan Jie, Ming Zhang, Yi Wang, Yiwei Xie, Yaocheng Shi, and Daoxin Dai, "Ultrahigh-Q silicon racetrack resonators," Photon. Res. 8, 684-689 (2020) https://doi.org/10.1364/PRJ.387816

无线电和微波信号的产生、分配和处理问题在信息社会中无处不在，是雷达、无线网络、卫星通信等领域的基础。随着5G技术、物联网等领域的迅速发展，电信带宽瓶颈问题日益凸显。为了解决这一问题，人们趋向于在更高的频段使用载波。随着载频的增加，电子信号的产生和数字化将会越来越困难。因而，利用光子学处理超宽带信号的方法得到了广泛的探索。这通常被称为“微波光子学”。微波光子学技术将材料载流子与光学领域相结合，使得超宽带电子信号能够在较低的分数带宽下产生和处理。基于集成微谐振器的孤子频率梳是一种微波光子学的关键构件，在雷达、光通讯和低噪声微波生成等方面具有广泛的应用。光孤子频率梳则能够与CMOS光子集成电路相兼容。然而，目前的集成光孤子微频梳的重复频率都大大超过了传统电子学的检测范围，从而阻碍了其在微波光子学领域的应用。此外，微波光子学技术中所需的超低损耗波导和纳米光子谐振器的尺寸过大，也不利于其与集成光子学器件相结合。

近日，来自瑞士联邦洛桑理工学院、香港理工大学的研究团队展示了一种新型的光孤子微频梳设计，能够工作于两个广泛使用的微波波段：X波段（雷达波段，约10 GHz）和K波段（5G波段，约20 GHz）。在低噪声光纤激光器的驱动下，该器件能够在3 dB带宽内产生300多条频率线，并产生具有与现代电子微波谐振器具有同等程度相位噪声水平的微波信号，表明这一微组件能够应用于低噪声微波发生器。此外，该器件具有较低的孤子重复率，可以显著降低孤子集成频率合成器和原子钟的系统复杂度，有望应用于密集波分复用信道生成方案。（朱学艺）

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Liu, J., Lucas, E., Raja, A.S. et al. Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs. Nat. Photonics (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0617-x

当波与复杂的材料（例如，多重散射层，混沌腔，多模光纤）相互作用时，波所携带的信息的多路复用是一种可以应用例如通信，成像和能量转移方面的现象。在各个学科中，最初的波-工程应用试图通过对入射在介质上的波进行整形来补偿这种信息加扰。例子包括在声学领域开创的时间反转聚焦，无线电频率下的无线通信波束成形以及光域中的波前成形。后来，人们很清楚地发现，材料的复杂性提供了超过各向同性介质中的波控制的可能性，从而导致了有意引入引起波扰动的材料的应用。例如，通过故意利用复杂介质的属性以看似任意的方式扰乱波，就可以实现光学中的亚波长聚焦，声学中的多扬声器监听以及计算微波成像。

来自法国尼斯大学的研究小组基于配备有可调反射阵列超构表面的混沌腔在微波频率上演示了配置信道的多个传入空间信道上最佳地复用信息。该混沌腔使用定制编码序列进行了配置。这些结果在计算成像和传感中具有直接的技术意义，因为它们使单端口采集大口径空间信息成为可能，并且延迟和处理负担降至最低。与最先进的方法相比，原位实验发现所需的测量次数减少了2.5倍。所提出的概念和平台为实现所需通道矩阵属性的“按需”实现奠定了基础，并为工程无序在介观物理中不同自由度相互作用中的作用提供了基本的认识。预计该原理还将激发光域中新颖的基于多模光纤的定制复用方案，相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.041004

制备表现出强光学性质的超表面的一种策略是将金属纳米结构排列在确定的晶格中。各个金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振（LSPR）可以耦合到阵列的衍射晶格模式，从而导致表面晶格共振（SLR）的形成。 这些共振也称为表面晶格模式或集体局域表面等离激元，与在纳米粒子集合中的LSPR的激发相比，表面晶格共振（SLRs）具有减小的线宽。因此，可以提供高质量因子的超构表面，在纳米光子学和传感应用中具有重大影响。

来自德国埃朗根-纽伦堡大学大学的研究小组通过将局域表面等离激元的共振耦合到掠射衍射阶次上来的金属纳米粒子周期性阵列的集体激发导致线宽较窄的表面晶格共振。这些共振可以在光学感测和信息处理中找到许多应用。研究人员通过展示手性等离激元的新月形阵列中依赖于手性的表面晶格共振激发来研究表面晶格共振的新自由度。用作掩膜的颗粒的自组装和改进的胶体光刻技术可用于在大面积上生成平面和三维的新月形金阵列。研究发现表面晶格共振随颗粒间距离和阵列内有序度的变化而变化。各个三维新月形的手性导致形成手性晶格模式，即表现出光学活性的表面晶格共振。相关研究发表在杂志《Advanced Materials》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1002/adma.202001330

热电材料基于塞贝克效应将温度差从转化为电势差，从而实现热能到电能的转换。芯片在工作时表面的热量密度极大，因此利用塞贝克效应回收芯片上积聚的热能成为了一种可能。为了实现这一点，需要获得具有较大的塞贝克系数的薄膜材料。在自旋电子学中，反铁磁金属IrMn被用作磁性隧道结的钉扎层，成为磁性随机存取存储器和磁性传感器的一部分。自旋泵浦实验已经表明其奈尔温度随薄膜厚度变化，且在极薄状态下其奈尔温度在室温左右。近日，来自北京航空航天大学的Sa Tu等人报道了IrMn-基半磁性隧道结中的高热电功率因子。研究发现，当奈尔温度接近室温时，IrMn厚度从0.6增加到4nm，热电功率因子在3nm处存在最大值，为390（±10）μV K^-1。这一发现证明基于IrMn的磁性器件可以为磁性传感器散热，在物联网技术的发展中存在潜在的应用。相关成果发表于近期出版的《Nature Communications》杂志上。（狄琛）

IrMn塞贝克系数随厚度变化示意图

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-15797-6

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