摩尔定律预言着集成电路（Integrated Circuit, IC）的发展之路，但近年来，随着微电子技术进阶到纳米量级，摩尔定律受量子瓶颈制约而逐渐滞缓，传统IC要想继续前进，所受阻碍越来越大。为了摆脱传统IC现有的困境，研究人员从信号传输入手，以光子为载体，开辟光子集成电路（Photonic Integrated Circuit, PIC）的新领域。不同于传统IC，全光子集成具有低功耗、高速处理的优势，可满足下一代信息技术的需求。在下一代光电子集成系统中，金属纳米线是非常有前景的基本组成元件之一。但目前，仍然缺少单片集成下对金属纳米线的精确操控方法，这也严重阻碍了金属纳米线在集成器件中的应用。
由于表面等离激元（SPPs）的高损耗，金属纳米线需要与低损耗的介电材料和波导互连（如二氧化硅微/纳米纤维和半导体纳米线）集成，以构建混合光子-等离子激元电路和系统。尽管目前研究取得了广泛的进展，然而，仍然缺少单片集成下对金属纳米线的精确操控方法（如移动、定位和排序），这严重阻碍了金属纳米线在集成器件中的应用，如芯片上混合光子和等离子体元件的协整。其主要原因是金属纳米线在非液态环境中与衬底有极强的粘附力（如范德华力和静电力）。
图1. 等离子驱动的Au 纳米线在二氧化硅微纳光纤运动示意图。展示了分别由波长为532 nm和1064 nm的脉冲激光驱动Au 纳米线在悬空微纳光纤上的运动。其中只有1064 nm的脉冲激光才能有效地激发Au 纳米线中的SPP，从而增强吸收光的热效应，并诱导产生表面声波驱动Au 纳米线沿二氧化硅微纳光纤运动。
近日，来自上海理工大学的谷付星教授课题组提出了一种基于膨胀、摩擦和收缩协同工作的蚯蚓状运动机制，实现在非液体环境下精密操控金属纳米线。纳秒脉冲激光通入微纳光纤，产生的倏逝场与金属纳米线作用将激起SPP，并在端部形成SPP驻波结构。该结构可以在纳米线局部增强SPP的场强和由此产生的热能。这些不均匀分布的热能会使纳米线端部晶格膨胀，晶格膨胀以表面机械波的形式向整条纳米线传播。纳米线端部由于热膨胀与光纤基底最靠近而获得最大的粘附力，该方法将反利用了这个非液体环境中的粘附力实现了对纳米线的驱动。
图2. 类蚯蚓蠕动运动机制示意图。（a）1064 nm脉冲激光通入微纳光纤与金纳米线作用的纵断面电场分布数值模拟结果。（b）图a中纳米线下表面的热场分布数值模拟图。（c-f）类蚯蚓蠕动运动机制的阶段示意图。
该实验演示了单金属纳米线在非液态环境中通过固定微纤维上的连续可控操作，并具有亚纳米级定位精度、低驱动功率和自平行停放的优点。利用这一方法，研究人员还进一步演示了片上操作，包括运输、定位、定向和分类，具有原位操作、高选择性和多功能性。该等离激元驱动方式具有普适性，也可以推广到其他金属材料及其他形状的微纳波导中。这种等离激元驱动方法在未来有望可以与其他纳米线操作方法相结合并协同工作，从而在单个芯片上实现各种功能化光子元件的集成。这对非液体环境下的全光电子集成系统发展有很好的促进作用。
相关工作发表在Nature Communications 上。该论文以上海理工大学为第一单位，博士生令狐双艺和博士生顾兆麒为共同第一作者，谷付星老师为通讯作者。论文作者还包括浙江大学卢锦胜博士生、方伟副教授，剑桥大学杨宗银博士，华南理工大学虞华康教授和李志远教授及上海理工大学的詹其文教授、庄松林院士和顾敏院士等人。
Plasmon-driven nanowire actuators for on-chip manipulation
Shuangyi Linghu, Zhaoqi Gu, Jinsheng Lu, Wei Fang, Zongyin Yang, Huakang Yu, Zhiyuan Li, Runlin Zhu, Jian Peng, Qiwen Zhan, Songlin Zhuang, Min Gu & Fuxing Gu
Nat. Commun., 2021, 12, 385, DOI: 10.1038/s41467-020-20683-2
谷付星，副教授、博士生导师。2012年毕业于浙江大学光电系。长期从事微纳光纤光子器件相关的应用基础研究。以第一及通讯作者在Nature. Commun.、Science Adv.、Light: Sci. & Appl.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、ACS Nano、Laser & Photonics Rev.等期刊发表论文28 篇，另与他人合作发表论文16 篇，包括Science、Nano Lett.等。获浙江省自然科学一等奖、饶毓泰基础光学奖优秀奖、金国藩青年学子奖学金奖各1 项，授权发明专利9项。
https://www.x-mol.com/university/faculty/291365
https://iome.usst.edu.cn/
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
X-MOL资讯