超材料前沿研究一周精选 2021年7月12日-2021年7月18日

非线性纳米光子学作为一种以光控制光的纳米尺度方法，在光学频率转换、成像、生物传感以及量子技术等领域得到了广泛的应用。介电纳米粒子和金属纳米粒子分别能够增强粒子内部和表面的电场，并为增强非线性光学过程(包括二次谐波产生)提供了有前途的方法。与非结构材料相比，高指数介电纳米颗粒支持的mie型共振具有更大的模式体积，并表现出更高的SH转换效率，利用了与其非中心对称晶格相关的体二阶非线性。对于等离子体材料（金、银等)，晶格的固有反对称性阻止了电偶极子允许产生二次谐波，二阶非线性响应主要来自心对称被破坏的表面。这种表面二次谐波的产生通常很弱，但比电介质纳米粒子产生的二次谐波的局部性要强得多，并且对表面状态的改变非常敏感，用于探测生化学事件，如化学反应、光催化转化和化学映射，可能在单分子水平上。

现代光子技术对相干光在纳米尺度上的高效频率上转换有很高的要求，但在纳米光子学领域仍然面临挑战。贵金属的表面二阶非线性可以通过等离子体诱导场增强显著提高，但尽管近场放大，相关的远场高对称二次谐波产生(SHG)也可能在高对称等离子体纳米结构中被淬灭。近日，来自华南师范大学的Guang-Can Li等人证明了当与金属薄膜紧密耦合时，单一金纳米球的二次谐波产生，即使在二次谐波频率下没有等离子体共振，也会显著增强。纳米隙结中的光诱导的电磁不对称有效地抑制了局部产生的二次谐波产生场的抵消，并通过对明亮耦合的纳米偶极共振模式的优先耦合进一步放大了二次谐波发射。相关工作发表在《Nature Communications》上。(郑江坡)

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24408-x

光致和电致发光(光致发光和电致发光)在我们的日常生活中扮演着重要的角色，特别是在信息的呈现、获取和通信中。这些应用目前采用下转换光发射，发射光子的能量明显低于激发光子(或电子-空穴对)。仅就一般照明而言，下转换光发射消耗了全球近15%的电力，并以废热的形式造成了严重的能量损失。废热会缩短设备寿命，增加制造成本，导致全球变暖，并引起安全问题。热辅助上转换光致发光(thermoassisted up-conversion photoluminescence, UCPL)通过提取工作介质中分子振动(或晶体中的声子)的热能，可以发射出比激发光子能量更高的光子。

稀土掺杂材料具有高效的UCPL，但其制备工艺复杂，吸收截面低，难以集成到光电器件中。虽然在25年前就有关于有机染料在溶液中通过亚带隙光子激发来冷却光学冷却样品的报道，但人们发现这与工作机理不一致。UCPL在碳纳米管、CsPbBr₃钙钛矿、金刚石和单层WS₂等新型材料中也有报道，但它们的UCPL效率还不足以用于实际应用。

声子辅助上转换光致发光可以通过吸收发射体的振动能量(或声子)使发射光子的能量高于激发光子的能量。近日，来自浙江大学的彭笑刚教授团队观察到CdSe/CdS核/壳量子点的上转换光致发光功率转换效率（发射和激发光子之间的功率比）超出了统一的范围。与一般的胶体量子点缺陷辅助上转换光致发光不同，温度依赖测量和单点光谱显示上转换光致发光和常规下转换光致发光具有相同的电子-声子耦合电子态。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24560-4

利用声子的粒子性和波动性，可以控制热传导。当纳米结构的特征尺寸（例如晶粒尺寸和孔间距离）与声子平均自由程（MFPs）相当或小于声子平均自由程（MFPs）时，纳米结构增强声子散射并降低材料的热导率。另一个声子操纵方向是基于波的性质。周期性结构可以通过产生声子间隙来调制声波性质，并且可以实现热电器件和热绝缘体的低热导率等声子工程，例如热整流和热掩蔽。虽然最近的一项研究表明，MFP与理想系统中的相干长度相当，因为声子很容易由于表面粗糙度和杂质等材料的无序而丢失相位信息，当纳米结构的特征尺寸达到声子波长量级时，才能观察到相干声子效应。这些结构的制作比较困难，因为它们的尺度仍然需要在相干长度的量级上。碳纳米豆荚（或简称豆荚）是一种富勒烯包覆的单壁碳纳米管（SWNTs），由于其短（≈ 1nm）而有可能克服上述问题的周期性，这比室温下热声子的波长要短得多，并且沿着载流子传输方向没有界面。

近日，日本东京大学机械工程系的Masato Ohnishi教授和Junichiro Shiomi教授的最新研究分析了富勒烯包覆对碳纳米管声子性质的影响，结果表明，应变场调节了室温下声子的波动性质，降低了碳纳米管的热导率。群速度的应变效应可分为均匀应变效应和周期应变效应。后者引发了区域折叠效应，产生了两种声子带隙，即布拉格带隙和杂化带隙，并控制了碳纳米管热性能的变化。由于碳纳米豆荚不存在界面，具有单一的纳米周期，因此可以作为一种理想的人工超晶格来调节声子波的性质。他们认为，进一步的实验研究可以实现相干波性质在热整流和热隐身等先进热器件中的应用相关研究成果发表在《Physical Review B》上。(钟雨豪)

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.014306

热能的直接转化有望在开发新型热能储存和转化技术中发挥关键作用。由热发射器和光伏电池组成的热光电(TPV)装置目前正被积极探索用于这种能量转换应用。在TPV装置中，热物体发出的电磁辐射入射到光伏电池时，通过光伏效应产生电能。TPV系统的性能由两个指标表征:效率，定义为室温(或环境温度)下电功率输出与从热发射器到光伏电池的总辐射热传递之比，以及功率密度，即每单位面积的电功率输出。利用近场倏逝模式的热光电方法正在被积极探索，因为它们具有高功率密度和高效率能量转换的潜力。然而，功能性近场热光电器件的进展受到了挑战的限制，比如创建热稳定的平面发射器和设计用于近场热辐射的光伏电池。

近日，来自美国密歇根大学机械工程系的Rohith Mittapally等人证明了在6.8%的效率下约5 kw/m²的记录功率密度，其中系统的效率被定义为光伏电池的电功率输出与从发射器到光伏电池的辐射热传递的比率。这是通过开发能够承受高达1270 K温度的新型发射极器件，并将其置于定制的基于铟镓砷的薄膜光伏电池的近场(< 100 nm)来实现的。除了展示高功率密度下的高效热电转换，他们还报告了热光电器件在发射器温度(~ 800 K–1270 K)和间隙尺寸(70 nm–7 um)范围内的性能。在这项工作中获得的方法和见解代表了理解在近场收集热能的基本原理的关键一步。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Rohith Mittapally et al. Near-field thermophotovoltaics for efficient heat to electricity conversion at high power density. Nature Communications (2021) 12:4364 https://doi.org/10.1038/s41467-021-24587-7

超材料是一种人工设计的由周期性或非周期性亚波长结构组成的材料，在过去的二十年里经历了革命性的发展。自超材料出现以来，大量的奇异现象和很有潜力的应用得到了广泛的探索，如负折射、完美透镜、隐形斗篷和错觉装置。近年来，二维超材料，即超表面，已被证明具有优越的能力，可实现在亚波长厚度界面处对电磁波(振幅、相位、频率和偏振)的完全控制。作为一个新兴的平台，超表面已经使多种功能的“超设备”或“超系统”成为可能。然而，大多数超表面是静态的，因此，一旦超表面被制造出来，其功能很难改变。这一事实严重阻碍了这一新兴技术的发展。为了解决这一问题，提出并制作了与活性元素相结合的超表面，即活性超表面，以实现动态电磁波操纵。这种超表面可以在外界刺激的控制下动态调整。

近日，东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室Qian Yu等人提出、设计并构建了一个自适应的超表面平台，可以实现基于图像识别的波束自动控制。这样的平台是由一个具有36×36个活动单元的超表面、一个单板计算机和两个可以检测物体位置的独立摄像机组成的。基于一种低复杂度双目定位算法，利用单板计算机计算目标信息并生成编码序列来控制数字超表面。由于双目定位算法的低复杂度，该系统保持了较高的性能。系统各部分易于接入，成本相对较低，使系统简单、通用性强，易于实现。这种智能超面平台可以根据接收机的位置产生不同的波束，可以作为未来通信和雷达中的智能天线。相关研究工作发表在《Optics Letters》上。（丁雷）

文章链接：Qian Yu et al, Self-adaptive metasurface platform based on computer vision,Optical Letters(2021).https://doi.org/10.1364/OL.427527.

在过去的十年中，双光子光刻（TPL）作为一种新颖而强大的微结构3D打印技术引起了极大的关注。通过将飞秒激光聚焦到光刻胶中，然后进行3D光栅化，可以创建分辨率低至数十纳米和几乎任何几何形状的微结构。虽然聚合物是TPL中最常见的打印材料，但通过使用特定的光刻胶和适当的后处理，这种方法可以潜在地用于打印各种材料，如玻璃、金属、陶瓷和碳材料。TPL的高精度和结构多功能性使该方法成为制造可用于光子学、仿生学、分析、基础细胞生物学研究和药物输送的超材料的理想工具。尽管TPL可以创建复杂的结构，但由于光刻胶的选择有限，打印表面上的化学功能受到高度限制。这导致难以构建与TPL具有特定化学反应性的功能器件。为了进一步扩大打印物体的应用，重要的是制定策略以增加制造结构的化学多功能性。因此，赋予TPL打印的微结构以功能一直是近年来活跃的研究领域。

近日，东南大学顾忠泽教授和杜鑫副研究员团队提出了一种简便、高效且广泛适用的方法来使TPL打印的物体表面功能化。TPL打印的物体，无论其成分如何，都可以通过结合三氯乙烯基硅烷处理和硫醇-烯化学来有效地功能化。在不影响其微纳形貌的情况下，可以在打印物上引入各种功能。因此，使用非功能性光刻胶可以生成具有多种功能的微结构。与现有方法相比，该方法具有快速、高效、不依赖光刻胶等优点。此外，该方法可应用于各种材料，例如金属、金属氧化物和塑料，其可潜在地用于TPL或其它3D打印技术。该方法在微机器人和细胞支架的生物功能化中也得到了应用。相关研究发表在《Small》上。（徐锐）

文章链接：

J. Zhang, H. Ding, X. Liu, et al. Facile Surface Functionalization Strategy for Two-Photon Lithography Microstructures[J]. Small, 2021: e2101048.

https://doi.org/10.1002/smll.202101048

对带宽密度和互联网协议 (IP) 流量不断增长的需求使得数据中心之间和内部的当前通信系统出现瓶颈。随着数据中心内 IP 流量迅速增加到 zettabyte 的范围，这对带宽密度、通信速度和能源消耗提出了挑战。互补金属氧化物半导体 (CMOS) 兼容硅基绝缘体 (SOI)，核心和周围氧化物之间的高折射率对比以及高带宽数据传输，从而提高数据中心互连的每比特能量性能。通过采用多路复用技术，如偏振分复用 (PDM)、波分复用 (WDM)、模分复用 (MDM) 或先进的调制格式，如脉冲幅度调制 (PAM) 和并行信号调制，可以进一步提高带宽密度(PSM)。其中，多模功率分配器是模分复用的基本组件，以3dB 的分光比同时分流所有输入模式，这对于多模切换至关重要。然而，由于非对称定向耦合器 (ADC) 结构的带宽有限，此类结构对波长敏感。

由于亚波长光栅 (SWG)在集成片上折射率工程的进步，这些结构已用于广泛的应用，包括光纤到芯片耦合、波长复用、偏振分离等方面，近日，来自加拿大麦吉尔大学的Hatef Shiran研究小组设计并表征了一种基于亚波长光栅结构的宽带紧凑型双模干涉仪 (MMI) 光功率分配器。优化的双模 MMI 比传统不敏感的MMI小三倍，并且在 100 nm 带宽内表现出低损耗和低串扰的平坦响应。在实验中，TE0和TE1的总额外损耗分别小于0.1dB和0.65dB，两种输入模式的模态串扰都小于-17dB，通过进一步优化MMI长度和模式（解）复用器，可以改善模式串扰。该设备可以在高性能 WDM 兼容多模电路中应用。相关研究发表在杂志《Optics Express》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1364/OE.423882

在过去的十年中，软机器人领域已经确立了自己的独特地位，特别适合于使用传统的刚性机器人难以或不可能实现的应用。对由流体装置(例如，液压和/或气动装置)驱动的柔性材料的依赖促进了软机器人的许多固有益处，特别是在人机交互的安全性、较低的成本以及操纵复杂和/或精密物体的几何适应性方面。然而，目前软机器人应用的一个关键障碍来自于增加独立操作的软执行器(或自由度)的数量通常需要相同或更多数量的不同控制输入。为了减少或消除对这种外部控制方案的需求，研究人员研究了一系列通过流体逻辑增强软机器人自主性的方法，但制造方法尚未在软机器人领域得到广泛采用，将多层软光刻方法用于集成流体电路制造也面临着诸多挑战。

近日，来自美国加州大学伯克利分校化学工程系的Joshua D. Hubbard等人介绍了一种策略，用于通过PolyJet三维(3D)打印在单次打印运行中额外制造包括完全集成的流体电路的统一软机器人。他们探索了这种方法对软机器人的功效，这些软机器人被设计成利用新颖的3D流体电路元件——例如，流体二极管、“常闭”晶体管和具有几何可调压力增益功能的“常开”晶体管——来响应常规电子信号的流体模拟而工作，包括恒流[“直流(DC)”、“交流(AC)”—激励和预编程的非周期性(“可变电流”)输入条件。通过使完全集成的软机器人实体(由软致动器、流体电路和身体特征组成)能够在一次运行中快速传播、按需修改和3D打印，所提出的设计和附加制造策略为催化新型软机器人提供了独特的前景。相关研究工作发表在《Science Advances》上。（詹若男）

文章链接：Joshua D. Hubbard et al. Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry. Sci. Adv. 2021; 7 : eabe5257

DOI: 10.1126/sciadv.abe5257

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