超材料前沿研究一周精选 2021年11月15日-2021年11月21日

传统折射率光学元件通常体积和重量大，但从消费电子到基于无人机或卫星的遥感等领域的各种应用，对紧凑、轻量化光学元件的需求正在迅速增长。近年来，超表面已经成为一种新的波前控制平台。超表面是由一排亚波长间隔的介质或金属天线组成，其厚度小于或等于光的波长，可以精确地调整光的相位、振幅和偏振，具有多功能成像能力。目前，超构透镜技术广泛应用的主要障碍之一是孔径大小。增加镜头孔径的大小可以带来更高的成像分辨率，这对显微镜和远程成像应用都是至关重要的。光学超构透镜具有纳米尺寸和非周期特性，通常是通过诸如电子束光刻(EBL)等工艺制造的，这种工艺既昂贵又耗时。对于某些应用，如空间望远镜，它需要一个米量级的镜头孔径，制造这样规模的单个透镜可能是极具挑战性的。解决有限镜头孔径问题的一种方法是合成多个孔径。合成孔径可以混合来自一组子孔径的信号，从而生成分辨率相当于所有子孔径圆大小的孔径的图像。这是一种广泛应用于射频领域的技术。

近日，航天工程大学YUANMU YANG等人提出采用合成孔径方法来缓解这个问题，并通过实验证明，在计算重建的辅助下，合成孔径超构透镜由多个孔径相对较小的超构透镜组成，其成像分辨率可与同等孔径的传统透镜相媲美。研究人员通过户外成像实验验证了这一概念，该实验使用合成孔径超构透镜集成的近红外相机，利用自然阳光进行目标照明。作者表示，尽管该工作提出了一个偏振无关的合成孔径超构透镜只能在有限的波长范围工作，但可以将该技术应用在其他领域，构建具有偏振相关的，消色差的，甚至可以感知场景深度的新型多功能合成孔径超构透镜。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）

文章链接：FENG ZHAO et al, Synthetic aperture metalens, Photonics Research(2021).https://doi.org/10.1364/PRJ.440185.

氮化硅光子学是近年来新兴的研究领域，因为与传统硅基或InGaAsP基波导相比，最新的光子器件必须有更好的性能。作为一种完全兼容CMOS的材料，SiN基波导具有低光传输损耗、从可见光到红外波长透明度宽、低热光系数、无非线性吸收损耗等特点，从而形成了芯片尺度非线性光子学、高保真集成微波光子学系统和超宽带集成光子电路的主干。因此，基于SiN的光子元件得益于其材料优越的无源特性，代表了集成光子学的最先进的性能，包括频率梳发生器、光学陀螺仪、射频滤波等等。

然而，由于与有源器件(包括激光器、调制器、放大器和光电探测器)的集成非常困难，SiN光子学在很大程度上被限制在独立组件级别。首先，SiN作为介质材料，缺乏有效载流子辐射复合或电光效应的直接能带，而这两者分别是激光器和调制器的基础。此外，SiN_x在通讯波长(1.55 μ m)处的折射率约为2（这取决于硅含量），这种低折射率材料在通过直接异质III-V/SiN集成与主动III-V增益材料集成时存在很大困难，类似于异质III-V/Si集成，但在光学互连应用中取得了成功。

近日，美国加州大学圣巴巴拉分校的John E. Bowers教授团队报导了高性能的SiN激光器，通过SiN波导和亚KHz基线宽度输出数十毫瓦的功率，解决了上述所有问题。他们还表明，利用开发的集成技术可以实现Hz级基本线宽激光器。这些激光器，连同高Q SiN谐振器，标志着一个完全集成的低噪声氮化硅光电平台的里程碑。这种激光器在激光雷达、微波光子学和相干光通信等领域具有广泛的应用前景。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-26804-9

微电子技术，即硅集成电路的小型化，使低成本和高性能的数字成像成为可能。尽管硅具有许多优点，但1.1 eV的带隙限制了其在红外传感范围和通信领域的应用。非硅红外敏感材料与硅的异质集成是扩展可见长范围到短波红外范围(SWIR)的一种有效方法。锗和III-V化合物已被用于硅上的异质外延，但由于高温外延和硅污染缓解过程，大大增加了制造复杂性。OD材料，如胶体量子点(CQD)，由于其低成本制造、易于处理、可调带隙和灵活的衬底兼容性，是下一代光敏材料的理想候选材料。此外，通过压印或旋转涂层，它们还可以很容易地与硅基读出电路(ROIC)集成。研究表明，CQD光电二极管(PDs)、光电导体(PCs)和光电电压场效应晶体管(PVFETs)显示了CQD薄膜的多功能性及其对其他半导体的灵活性。然而，光电二极管，无论是基于胶体量子点均型结还是胶体量子点：其他半导体异质结，都不产生增益。因此，光谱响应率极低。由于一个光子产生载流子的捕获时间与另一个载流子的传输时间之间的差分，光导体或混合晶体管可以显著提高增益。然而，由于正常开启的通道引起的严重暗电流，比光谱检测率普遍较低。基于CQD:硅界面产生的光电压，结合外延硅器件提供的高跨导，已经被提出用来实现高增益和广泛可调谐的光谱响应(从可见光到1500 nm)，这表明量子可作为硅基红外检测的有效平台。尽管如此，原型PVFET的暗电流密度对于一个实际的硅基光电芯片来说仍然太高了。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的Wen Zhou等人演示了Si:CQD光电三极管(PVTRI)。光诱导载流子可以在n-CQD:p-CQD结界面产生，并被内置电位分开。光电子可以顺利地转移到基区(n-CQD)，但会被p-Si:n-CQD异质结处的导带偏移阻挡。结果，在基底区域产生一个负的光电压来控制Si:CQD结的静电。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-27050-9

交通噪声污染给全球经济、生态环境和人类健康带来了巨大的负担。因此，有效的交通噪声降噪方法对于消除不必要的噪声具有重要意义。纤维材料具有多孔结构和曲折通道的优点，能增强声波的摩擦和耗散，从而表现出良好的高频(通常>1000 Hz)吸收性能。以往的研究主要集中在使用成本效益高的纤维材料作为构建噪声吸收器的核心组件。然而，由于纤维直径大(通常>5μm)和孔隙率低(<60%)的固有限制，传统的微纤维吸声材料仍然存在对车辆容易产生的低频(通常<1000 Hz)噪声吸收不良的致命缺陷。为了解决这个问题，有必要增加纤维材料的厚度或密度，而这反过来会导致重量大(>50 mg cm^-3)和比较差的对高频噪声的吸收。此外，车辆留给吸声材料的空间有限，增加密度会增加燃料消耗，违背了节能原则。更重要的是，车辆的温度(尤其是引擎和防火墙)在运行一段时间后会变得非常高。因此常用的聚合物基吸声材料的耐温性差，不仅容易导致材料分解失效，甚至会导致车辆自燃。因此，需要创造一种专门的和实用的纤维吸声材料，以有效地降低宽带噪声。近年来，三维(3D)纳米纤维海绵作为先进纤维材料的前沿，结合了小纤维直径、高孔隙率(>95%)和体积结构，在交通噪声降噪领域显示出广阔的前景。一些聚合物基纳米纤维吸声海绵已经成功构建，并显示出增强的噪声吸收性能。遗憾的是，由于结构单一、不可控、细胞完全开放、大孔结构高度连通，现有的纳米纤维海绵仍然面临狭窄的吸收带(>1000 Hz)和较差的压缩和屈曲性能。构建轻质、耐热的纳米纤维吸声海绵的挑战仍然存在。

近日，来自东华大学材料科学与工程学院、化纤与高分子材料改性国家重点实验室的Dingding Zong等人展示了一种简单的策略，该策略创建了具有多级纠缠石墨烯网络的柔性陶瓷纳米纤维海绵(FCNSs)，它集成了独特的分层结构的开放细胞、封闭细胞壁和纠缠网络。在不依赖化学交联的前提下，通过在全三维空间中形成多级纠缠结构，提高了FCNSs的屈曲和压缩性能。此外，FCNSs具有更强的宽带噪声吸收性能(噪声降低系数在63-6300 Hz为0.56)和轻量化特性(9.3 mg cm^-3)，以及在-100至500°C范围内的稳定的温度不变稳定性。这一策略为设计高效吸收噪声的先进纤维材料铺平了道路。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Dingding Zong et al. Flexible ceramic nanofibrous sponges with hierarchically entangled graphene networks enable noise absorption. Nature Communications (2021) 12:6599

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26890-9

液晶弹性体(LCEs)最令人兴奋但经常被忽视的应用之一是用于应变依赖的冲击吸收装置。2001年，Clarke等人报道LCEs在玻璃化转变和向列向各向同性转变温度(T_g和T_NI)之间保持温度时，损失切线(tan(δ)= G”/G’)高达1.5。这些tan(δ)值对应于高粘性和耗散材料，远远大于传统各向同性弹性体中的值(~0.1)。尽管有这种特殊的力学行为，关于LCE耗散力学性能的论文只有少数发表。软弹性是指由Warner和Terentjev首创的理论所描述的LCEs独特的类似平台的拉伸力学响应。这种载荷曲线形状与理想的耗散器相似，即拥有恒定和有限应力的长平台，因此，人们希望在压缩中观察和利用这种现象，以产生高度迟滞和理想的冲击能量耗散器。传统上，由于合成足够大的单域器件存在的诸多困难，LCEs的压缩和冲击研究尚未进行。

近日，来自科罗拉多大学丹佛分校机械工程系的D. Mistry等人使用直接墨水书写(DIW) 3D打印制造块体(>cm³)单畴LCE器件，并研究其压缩软弹性在8 decades的应变率。在准静态速率下，单畴软弹性LCE耗散45%的应变能，而比较材料耗散不到20%。在高达3000 s⁻¹的应变率下，他们的软弹性单域LCE始终表现出最接近理想的冲击吸收器。跌落测试表明，软弹性是有效降低冲击严重程度的一种可能机制——软弹性LCEs提供的Gadd严重性指数比可比的各向同性弹性体低40%。最后，他们演示了在单畴LCEs中通过打印导向取向的裁剪变形和屈曲行为。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：D. Mistry et al. Soft elasticity optimises dissipation in 3D-printed liquid crystal elastomers. Nature Communications (2021) 12:6677

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27013-0

虽然材料/结构的形状可以通过外部刺激改变，包括机械力、气体驱动、电场、磁场、热和光，但需要持续的外部电源来保持所需的形状。为此，另一种节省能源的方法是引入双稳定性或多稳定性，这样材料/结构就可以保持不同的形状，而无需持续的能量供应。在这方面，研究人员提出了一系列基于细长梁、薄壳、折纸/剪纸、几何可重构曲梁和3D细观结构、异形机构等非线性元素的多稳态形状可重构力学超构材料。这些超构材料允许在制造后进行可逆和可重复使用的形状重构。然而，在大多数这些系统中，变形能力在允许的方向和变形幅度方面受到限制。它们的形状通常只能在特定方向上线性变化，但不能在大变形幅度下进行跨维变形（例如同时拉伸、压缩、弯曲和扭曲），这阻碍了从易于制造的低维初始配置重新配置为复杂的3D形状。然而，实现这种跨维形状重构的节能变形策略在很大程度上仍未探索。

近日，北京航空航天大学陈玉丽教授和潘飞博士团队提出了一种一维（1D）线状多稳态超结构，称为超线体（metawire），它在三维空间中具有丰富的形状可重构性，具有简单可预测和算法可设计的形状。超线体是由长直态、短直态、特别是具有跨维变形能力的多向弯曲态的多稳定单元串联而成。单元的状态以及相应的配置是独立可调的，因此通过直接堆叠具有不同形状的单元可以很容易地预测超线体的形状。因此，提出了逆向设计方案和算法，分别用于重新配置目标2D和3D形状。使用这些算法，可以快速准确地将超线体重新配置为任意目标形状。此外，实验和模拟很好地验证了超线体在可重构天线中的潜在应用。这项工作为实现复杂的跨维形状重构提供了一种直观的设计策略，为可变形机械的实现开辟了一条新的道路。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）

文章链接：

Y. Liu, F. Pan, B. Ding, et al. Multistable shape-reconfigurable metawire in 3D space[J]. Extreme Mechanics Letters, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101535

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