【光学】飞秒脉冲激光实现二维金属纳米片定向操控- 大数跨境

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2023-05-04

导读：中国科学院上海光学精密机械研究所的王俊团队发提出了一种“二维光驱动纳米机器”模型，该团队利用飞秒脉冲激光操控二维金属纳米片（VSe2和TiSe2）在光滑的蓝宝石衬底平面上自由移动

光携带力来操纵粒子的想法可以追溯到开普勒和牛顿，后来被麦克斯韦证实。自阿瑟•阿什金等前辈的开创性工作以来，利用光束操控微型物体的研究在纳米科学与技术的相关领域占据举足轻重的位置。而后研究人员通过结构化光束、结构化粒子和结构化背景等方法逐步实现了推、拉、横移、旋转等多维度控制，甚至实现大尺寸粒子转移和长距离传输。得益于非接触和非侵入性的优点，光学操控技术在纳米技术、生物学等方面具有应用潜力。然而，光操控技术主要在真空环境、空气和液体环境中工作，用以减少环境阻力。在非流体环境（如强范德华界面）中实现光学操控微粒仍然是一个很大的挑战。最近，中国科学院上海光学精密机械研究所的王俊团队发提出了一种“二维光驱动纳米机器”模型，该团队利用飞秒脉冲激光操控二维金属纳米片（VSe₂和TiSe₂）在光滑的蓝宝石衬底平面上自由移动，有效地克服了强范德华力和摩擦力，为上述难题提供了一种解决思路。相关论文发表在Nature Communications 上。

图1. 飞秒光操控二维纳米片示意图。图片来源：Nat. Commun.

研究团队利用传统的机械剥离法在蓝宝石衬底上制备了二维金属纳米片，利用光学显微镜将波长为1040 nm、脉宽为380 fs、单脉冲能量在10 nJ左右的脉冲激光垂直辐射在纳米片上：当脉冲激光照射时，二维纳米片开始运动，并在均匀光照区域内持续运动，通过激光的移动来改变辐照区域，从而使二维纳米片实现定向运动（图1）。由于衬底的存在，纳米片的运动被控制在二维水平表面。通过对不同的二维纳米片进行对比性实验，研究发现，具有高的线性吸收系数和热膨胀系数的金属型材料（例如VSe₂和TiSe₂）才能在该光学操控系统中具有明显的运动行为，目前运动效率可达到434 μm·s^-1·mW^-1。

研究团队通过数值模拟分析，揭示了二维纳米片与衬底的界面中非对称型空气间隙的存在，能够使得纳米片在激光辐照下获得足够的温度梯度（图2），导致面内热应力，从而在纳米片表面产生够强的弹性波，该弹性波把一部分动量传递给表面，使得纳米片往与波动量方向相反的方向平移（图3）。研究人员进一步通过截面透射电子显微镜获取纳米片与衬底之间的界面信息，证实了不对称型空气间隙的存在。由此形成的光声作用驱动系统，可以有效克服纳米片与衬底之间的强范德华力和摩擦力，最终实现了二维金属纳米片在固体水平表面上的自由运动。

图2. 单个激光脉冲作用下VSe₂纳米片温度增量分布模拟。图片来源：Nat. Commun.

图3. 纳米片产生的作用力示意图。图片来源：Nat. Commun.

该工作有效地扩展了光学操控技术的应用环境，提出了在固体水平面上制造二维光驱动纳米机器的模型，有望在光学、机械、纳米技术等领域得到重要应用。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，第一作者是中国科学院上海光学精密机械研究所博士研究生陈昕。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Photoacoustic 2D actuator via femtosecond pulsed laser action on van der Waals interfaces

Xin Chen, Ivan M. Kislyakov, Tiejun Wang, Yafeng Xie, Yan Wang, Long Zhang, Jun Wang

Nat. Commun., 2023, 14, 2135, DOI: 10.1038/s41467-023-37763-8

研究团队简介

陈昕，2017年于华南理工大学取得学士学位，2022年于中国科学院上海光学精密机械研究所取得博士学位，2022年7月起在张江国家实验室进行博士后工作。研究方向为二维纳米材料的超快非线性光学，在Nature Communications、Advanced Optical Materials、Photonics Research等国际知名期刊发表论文10余篇。

王俊，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、博士生导师，光芯片集成研发中心主任，入选国家“科技创新领军人才”、国家首批“青年拔尖人才”、国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”、爱思唯尔(Elsevier)“2020年中国高被引学者”。主要研究领域为低维半导体非线性光学及其集成器件，是国际上最早开展二维材料非线性光学工作的研究者之一，在Nature子刊、Advanced Materials、ACS Nano、Laser & Photonics Reviews等SCI期刊发表论文200余篇，引用10000余次；在SPIE、 CLEO-PR、MRS等学术会议做邀请报告60余次。

https://www.x-mol.com/university/faculty/175600

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