今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及拓扑腔表面发射激光器，用于光声显微层析成像的硅光子声学探测器，二维激子的声长程输运，超越摩尔定律的双门控单分子场效应晶体管 等敬请期待！
索引：
1.拓扑腔表面发射激光器
2.用于光声显微层析成像的硅光子声学探测器
3.用于宽带光电边缘计算的可编程黑磷图像传感器
4.二维激子的声长程输运
5.超快可调谐声学透镜在透明材料中的多焦激光处理
6.超越摩尔定律的双门控单分子场效应晶体管
7.基于3D和4D组装方法的仿生和生物柔顺软结构展望
8.从效率到适应性的转变：湿环境中仿生交互式软体机器人的最新进展
1.拓扑腔表面发射激光器
自发现量子霍尔效应以来，拓扑物理一直是基础研究的焦点，揭示了真实世界的物理量在系统参数的连续变化下可以保持不变。虽然这种鲁棒现象在原则上可以显著提高实际器件的稳定性和规格，但拓扑物理学的应用仍然难以捉摸。令人惊讶的是，传统的二极管激光产品已经包含了关键的光栅元件，在数学上相当于一维(1D)拓扑模型。同时，还提出了一种更先进的二维纯单模谱拓扑谐振腔，称为狄拉克-涡旋腔。
输出功率和光束质量是半导体激光器的两个主要瓶颈。半导体激光器因其紧凑、高效和廉价而成为无数应用中最受欢迎的光源。这两个限制都是由于在没有多模操作的情况下，在更广泛的芯片区域内稳定单模激光器变得越来越困难。近日，中国科学院物理研究所的Lechen Yang等人用狄拉克-涡旋拓扑腔来解决这个基本的困难，它提供了二维的最优单模选择。所设计的拓扑腔表面发射激光器(TCSEL)显示出10W峰值功率，发散角小于1°和60dB侧模抑制，在1550nm的性能最好。作者们还演示了二维TCSEL阵列的多波长能力，这些能力商业激光器一般无法做到。相关工作发表在《Nature Photonics》上。(郑江坡)
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-022-00972-6
2.用于光声显微层析成像的硅光子声学探测器
医学超声和光声成像通常依靠波束形成和层析成像的概念进行成像，由压电阵列换能器实现，其元件尺寸与所需分辨率相当。然而，由于压电元件在小型化后的效率降低，对于超过100 µm的分辨率，声信号的层析测量变得越来越不切实际。对于更高的分辨率，首选显微镜方法，如单个聚焦超声换能器逐点成像对象，但这种方法的庞大设备和长采集时间限制了临床应用。
近日，来自以色列理工学院的Yoav Hazan等人报告了一种小型化硅光子声学探测器（SPADE），并展示了其在体内光声显微层析成像的能力。他们的平台基于硅波导中的π相移布拉格光栅（π-BG）谐振器，硅波导涂有弹性体聚二甲基硅氧烷（PDMS），并结合用于信号读出的低噪声干涉测量装置。PDMS涂层提高了灵敏度并降低了声表面波（SAW）的寄生效应，这种效应限制了以前硅光子学探测器的成像能力。SPADE的噪声等效压力（NEP）低至2.2 mPa Hz−1/2，带宽高于 200 MHz，对应于理论上可实现的~6 µm轴向分辨率。针对点源测试了用于光声显微层析成像的SPADE的性能，揭示了宽度低于20 µm的横向和轴向扩展函数，以及25 µm的典型两点分辨率。在分辨率目标上进行测试时，他们的成像系统成功地解析了每毫米高达22.6条线的结构。SPADE 实现的成像分辨率可与最先进的声分辨光声显微镜（AR-PAM）实现相媲美，在光声层析成像（OAT）领域是无与伦比的，不仅由于其先进的技术特性，而且由于其易于破译的信号，相对没有寄生效应，主要受飞行时间原则支配。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Yoav Hazan et al. Silicon-photonics acoustic detector for optoacoustic micro-tomography. Nature Communications (2022) 13:1488
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29179-7
3.用于宽带光电边缘计算的可编程黑磷图像传感器
二维半导体在光电子学方面极具潜力，因为它们提供了具有可调谐光电特性的宽范围带隙。由于原子薄且可转移，它们易于与光子电路和微电子进行异构集成，以实现高级功能。在2D半导体中，黑磷（bP）因其可调谐的带隙而脱颖而出，其对应的红外光谱范围很宽。离散型、阵列型和波导集成型bP光电探测器已被证明具有令人信服的红外性能。利用其宽带红外响应，bP光电探测器阵列可用于多光谱成像，从而获取具有光谱信息的空间图像。多光谱成像结合人工神经网络（ANN）已成为生物医学成像、新鲜食品分类和工业现场表面损伤检测的强大工具。这种成像技术可产生大量数据，且计算密集、对延迟敏感，因此可以受益于新兴的边缘计算方案。在边缘而非云中对传感器内的图像进行预处理，可以大大减轻服务器的数据流负载，提高带宽预算，减少延迟和功耗。边缘计算的这些优势推动了光电边缘传感器的发展，该传感器将视觉感知和计算功能结合在同一设备中，最近已通过使用2D材料进行可见光/紫外光谱成像进行了证明。使用bP实现这种方案将把它扩展到红外光谱范围，实现智能夜视和多光谱传感。
近日，来自华盛顿大学电气与计算机工程系的Seokhyeong Lee等人报告了一种基于黑磷的可编程光电晶体管阵列（bP PPT）的多功能红外图像传感器。通过电学和光学控制栅极电介质层中存储的电荷，bP PPT的电导和光响应性可以以5比特精度进行本地或远程编程，以实现传感器内卷积神经网络（CNN）。该传感器阵列可以接收红外光谱范围较宽的光学图像，并进行推理计算，以92%的精度处理和识别图像。所演示的bP图像传感器阵列可以放大，以构建更复杂的视觉传感神经网络，这将在分布式和远程多光谱遥感中找到许多有前途的应用。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Seokhyeong Lee et al. Programmable black phosphorus image sensor for broadband optoelectronic edge computing. Nature Communications (2022) 13:1485 https://doi.org/10.1038/s41467-022-29171-1
4.二维激子的声长程输运
光可以激发并读取半导体系统中的激子，并将光信号编码并存储到激子的自旋、谷值和轨道自由度中。与电子电路类似，人们设想了以激子作为有源信息载体的电路，它可以利用利用外加电场和磁场传输和操纵激子态。这种激子电路在光子和固体介质之间进行转换，可以直接处理光信号并再生光，而无需额外的光电转换，因此非常有效。然而，与电子或空穴不同，电荷中性激子在均匀电场下不受净力。如果结合能很小，例如在GaAs量子阱系统中，它们也可以被中等强度的面内电场解离。因此，扩散一直是GaAs和二维材料中激子运动的主要机制之一。特别是在GaAs系统中，激子的高迁移率能够低温下迅速扩散到微米尺度。为了主动传输具有受控方向性的激子，在GaAs量子阱中利用声表面波（SAW）来进行有效传输， 在4K温度以下的百秒传输距离也能达到微米级。然而，GaAs中激子结合能太低难以在更高温度下工作
近日，华盛顿大学电气与计算机工程系和物理系的Mo Li研究团队证明了SAW是一种有效的、无接触的方法，可以在远超扩散长度的距离上实现双层WSe2中间接激子（IX）的输运。SAW调制IX能量可以克服局部电位变化和缺陷以驱动激子传输。由于传输距离取决于光学活性材料的激子寿命和衬底的声速，因此选择了寿命更长的过渡金属二卤化物（TMDC）和声速更高的压电衬底。由远程激发声波驱动的无接触传输也保持了材料的高质量，并防止了接触可能引起的不良影响。虽然该系统在100K时才能达到最大传输距离，但在目前的设备中进一步提高材料质量和界面清洁度也能提高室温操作的效率。总之，SAW是一种控制激子的通用方法，它的压电场和应变场都可以用来操纵和传输许多其他二维材料系统中的激子。声表面波还可以在声子电路和谐振器中调控和传播，未来可以解锁更多应用场景。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：Peng, R., Ripin, A., Ye, Y. et al. Long-range transport of 2D excitons with acoustic waves. Nat Commun 13, 1334 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29042-9
5.超快可调谐声学透镜在透明材料中的多焦激光处理
将激光束从单个焦点整形为多个焦点有利于许多激光加工应用。在这些应用中，多焦点光学系统将能量有效地传输到光束路径上的多个指定位置。此外，多聚焦技术的发展提高了聚焦激光处理系统吞吐量的空间分辨率。例如，飞秒激光在透明材料中的多光子吸收只发生在亚微米大小的高度限制的焦点斑上。多焦点光束整形通过增加加工区域的数量，提高了透明材料的微加工速度。传统的衍射或折射光学实现这一目标的方法，只能产生一个固定的多焦点光束图。例如，双焦距透镜的早期发明是由两个焦距不同的同心圆区域组成的折光光学元件。另一种折射率光学方法采用改进的牛顿环装置，采用分束器、凸面镜和聚焦透镜输出两束共线光束。或者，可以使用具有菲涅耳波带板(FZP)图案的衍射光学元件来产生多重聚焦。计算得到的FZP图形可以用光刻技术直接制作。该方法在聚焦数、工作波长、能量分布等方面具有一定的适应性，但这些参数都是在制造之前预先设定好的。
近日，普林斯顿大学机械与航空航天工程系Craig B. Arnold等人实现和描述了一个超快的，可变焦的系统，该系统使用可调谐声学梯度折射率透镜(TAG)来实现多聚焦激光处理。研究人员将该方法应用于飞秒激光诱导玻璃的体积内修饰，以显示其控制焦位置的灵活性。基于这一理解，研究人员还利用系统的多焦点性质来演示在透明玻璃载玻片的两面进行单次横向扫描的激光加工。实验过程中，焦点控制方法的关键是在TAG透镜的选定相位触发激光。这种激光和变焦透镜之间的同步有效地分配激光能量到期望的位置，而不机械地移动任何光学原件。因此，该多焦系统可以应用于许多透明材料的激光加工技术，如切割、刻划和标记。该方法的另一个优点是其响应速率在数百kHz，允许高吞吐量多焦点处理，以匹配MHz量级重频的新兴的超快脉冲激光器。相关研究工作发表在《Optics Letters》上。（丁雷）
文章链接：Xiaohan Du et al, Multi-focal laser processing in transparent materials using an ultrafast tunable acoustic lens,Optical Letters(2022).https://doi.org/10.1364/OL.447854.
6.超越摩尔定律的双门控单分子场效应晶体管
2016年，鉴于对持续缩小的硅基电子器件需求的日益迫切，全球半导体行业正式承认摩尔定律已接近尾声，并宣布了所谓的“超过摩尔战略（More than Moore strategy）”，该战略侧重于小型化和功能增长。单分子电子学的最终目标是通过使用纳米尺度的活性元器件来实现电子器件的小型化，它可以提供新的见解，帮助该行业满足这一策略的要求。为了达到这个目的，已经发展出离散的方法来制造基于单个分子的电子器件。在这一过程中，将单分子电子学作为微电子器件的补充技术的一个重要步骤将是制造一个可靠的单分子场效应晶体管(FET)。事实上，由于我们无法在没有FET的情况下构建电路，而FET是目前计算机电路的基本构件，因此这项成就将是对这些器件在传统集成电路架构中有效性的最终测试。在这项工作中，我们在固体器件配置中演示了双门控单分子晶体管，实现了单分子fet的高开/关比。
近日，北京大学的郭雪峰教授团队及其合作者报道了一种使用石墨烯源/漏极电极和金属背栅电极的强大的固态单分子场效应晶体管结构。该晶体管由单个双核钌-二芳乙烯(RuDAE)复合物构成，作为导电通道，与纳米缺口石墨烯电极共价连接，提供最大开/关比超过三个数量级的场效应行为。利用超薄高k金属氧化物作为介电层是成功实现如此高性能的关键。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28999-x
7.基于3D和4D组装方法的仿生和生物柔顺软结构展望
自然界充满了令人着迷的3D结构的例子，它们具有复杂的几何和组成。这些结构为生物体提供了比人工合成结构优越的特性和功能。研究自然界中发现的结构已经并将继续推动3D制造策略的进步。近年来，这一领域取得了巨大的进步，而今天相对容易建立的结构，在几十年前似乎是不可能的。新的发展，特别是在构建由软材料或包含软和硬组件的混合结构制成的结构方面不断出现。创建模拟生物材料的特性和功能或可以与生物材料相互作用、探测和控制的软合成结构继续推动该领域的研究。
近日，美国哈佛大学Jennifer A. Lewis、美国西北大学John A. Rogers、美国伊利诺伊大学Ralph G. Nuzzo和Paul V. Braun团队报告了用于软材料化学在其功能集成到复杂形式的3D结构中的机会和当前需求。重点介绍了软材料化学和3D和4D制造方法的最新进展——新兴的可编程材料设计和用于构建复杂功能结构的相关组装方法。这门科学的潜在进步允许创建具有随时间可编程变化的特性和形状的软材料结构。强调了从分子到宏观尺度控制成分的能力——最引人注目的是通过关注仿生和生物相容性软材料的例子。当这些特性与通过微细加工、3D打印或其他组装技术在多个尺度上对材料结构和特性进行编程的能力相结合时，就会产生响应式（4D）结构。文章特别关注了两种4D策略的开发：直接墨水书写（DIW）和通过压缩屈曲的定向组装。这个新兴领域在整合化学、形式和功能的能力方面所面临的挑战和发展前景在示范性软材料系统的背景下进行了描述，该系统展示了重要但迄今为止难以实现的仿生和生物柔顺行为。最后阐述4D方法在未来技术中的具体挑战和机遇。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
J. M. Taylor, H. Luan, J. A. Lewis, et al. Biomimetic and Biologically Compliant Soft Architectures via 3D and 4D Assembly Methods: A Perspective[J]. Adv Mater, 2022: e2108391.https://doi.org/10.1002/adma.202108391
8.从效率到适应性的转变：湿环境中仿生交互式软体机器人的最新进展
物联网和人机接口等新兴领域开创了软体机器人的前沿技术。软体机器人是由弹性体、凝胶和其他容易变形的物质制成的机器人。由于其柔软和柔顺，软体机器人可以充当人与机器之间的中介。当与软电子和人工智能相结合时，软体机器人和混合系统有望将人类与硬机器人和电子计算机连接起来，以执行任务和处理信息。在未来的神经控制接口、可穿戴计算和增强身体之前，软体机器人已经可以提供优于传统机器人的独特优势。传统的机器人通常是刚性的、笨重的并且在设计上非常复杂，它们可以发挥巨大的力量，并能高精度地完成复杂的任务。然而，它们只在固定的点周围弯曲和伸直，其不灵活性使得无法应对动态的、非结构化的或受限的环境。因此，在与适应性强的人类、动物和不可预测的情况打交道时，刚性机器人可能很危险。受无骨生物有机体的启发，软体机器人再现了软体生物的柔软、柔顺和响应性。它们可以伸展、扭曲和挤进狭窄的空间，可以在环境刺激下变形，也可以用柔软的触感抓住物体，在与人和动物互动时带来固有的安全性。软体机器人与传统的硬机器人有着根本不同的解决方案，是一种新型的机器。
近日，清华大学徐建鸿教授和深圳大学齐成助理教授团队回顾了湿环境中软体机器人的发展。软体机器人领域发展迅速，如软体机器人的驱动机制、用于构建软体机器人的新型水凝胶以及下一代药物输送机器人。为了释放其全部潜力，软体机器人与周围环境，特别是湿环境进行智能交互的能力对于它们在水下和体内的使用至关重要。这带来了一些挑战，比如集成、稳定性、耐久性和环境兼容性。最近的进展表明软混合机器人在潮湿条件下执行简单的任务，使我们更接近湿环境中的交互式软体机器人。然而，目前对湿环境下交互式软体机器人技术的进展和未来挑战的综述还不够充分。本综述的结构遵循仿生软体机器人开发的基本原则。首先讨论水生和两栖生物的灵感。它们的功能是分类的，由水上软体机器人模仿。概述了适用于水上软体机器人的软物质材料和代表性制造技术。随后详细介绍了最先进的软体机器人在湿环境中的实现功能，以及这些功能的示例性演示。最后简要讨论了尚未解决的挑战和未来方向。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
J. Fang, Y. Zhuang, K. Liu, et al. A Shift from Efficiency to Adaptability: Recent Progress in Biomimetic Interactive Soft Robotics in Wet Environments[J]. Advanced Science, 2022.
https://doi.org/10.1002/advs.202104347
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
