圖1?飛秒激光實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底上VSe2納米片的可控光學(xué)操控。(a)使用飛秒激光控制VSe2納米片運(yùn)動的示意圖。(b)納米片按順序向下、向右、向上和向左移動，并返回其原始位置。(c)脈沖光激發(fā)納米片產(chǎn)生的光聲信號。(d)飛秒激光精準(zhǔn)操控納米片在軌道內(nèi)的運(yùn)動。

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所光電前沿交叉部王俊研究員團(tuán)隊(duì)在利用飛秒激光可控操控范德華界面上二維納米片的運(yùn)動方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Controllable All-Optical Manipulation of 2D Photoacoustic Actuators on van der Waals Interfaces”為題，作為封面文章發(fā)表于Advanced?Optical?Materials。

納米機(jī)器的光學(xué)操縱因其非接觸和非侵入性而在醫(yī)學(xué)和原子物理學(xué)中顯示出相當(dāng)大的前景。然而，當(dāng)納米機(jī)器在干燥的范德華基板上時，界面摩擦顯著增加，基板環(huán)境更加復(fù)雜，這使得傳統(tǒng)的光學(xué)操作面臨著過度粘附阻力的挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)材料在范德華界面上可控的光學(xué)操控，將為精確控制器件性能，滿足陣列型器件對均質(zhì)性的要求，并開發(fā)器件極限性能提供全新、無損且經(jīng)濟(jì)的方案。

脈沖激光垂直照射在納米片表面時，納米片由于不均勻的溫度升高將產(chǎn)生熱應(yīng)力，由此導(dǎo)致的表面聲波將驅(qū)動納米片在襯底上的運(yùn)動。研究團(tuán)隊(duì)利用超高靈敏度的微腔超聲探針，成功探測到了脈沖激光照射VSe2納米片時產(chǎn)生的聲波。研究人員深入分析了納米片在相同光束下的可變運(yùn)動行為，并通過仿真證實(shí)氣隙和高斯光束的橫向梯度光強(qiáng)分布引起的作用在納米片上的力的競爭導(dǎo)致了其不受控制的運(yùn)動，并提出通過減小光斑面積和增加光束強(qiáng)度可以使納米片按照可預(yù)測的模式移動(朝向光束中心運(yùn)動)。此外，研究人員表明驅(qū)動激光波長需要滿足材料的吸收波段才能有效對其進(jìn)行驅(qū)動，并且提升脈沖激光能量和重復(fù)頻率能有效提升驅(qū)動速率。

圖2 在范德華界面上對各種二維材料進(jìn)行精確可控的光學(xué)操縱，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的軌跡運(yùn)動。這種非破壞性方法為光電器件制造和高性能芯片開發(fā)提供了一種新的解決方案。

進(jìn)一步的，通過拉曼光譜、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)等表征方法，充分展示了光學(xué)操控的無損特性，證實(shí)了光學(xué)操控用于器件制備的可能性。使用飛秒激光并結(jié)合程序控制，研究人員可以驅(qū)動納米片在特定的復(fù)雜軌道環(huán)境中自由移動，證實(shí)了光學(xué)操控精準(zhǔn)可控的性質(zhì)。此外，大量二維材料，如石墨烯、MoS2、MoTe2、WSe2、WTe2、NbS2、TaS2等都可以被飛秒激光驅(qū)動。

該技術(shù)為設(shè)計(jì)新型電子器件提供了一種新方法，如精確控制器件性能，滿足陣列型器件對均勻性的要求，為開發(fā)器件極致性能提供了通道，具有廣闊的應(yīng)用前景。

相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持。

審核編輯 黃宇