圖1?飛秒激光實現(xiàn)藍寶石襯底上VSe2納米片的可控光學操控。(a)使用飛秒激光控制VSe2納米片運動的示意圖。(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)飛秒激光精準操控納米片在軌道內(nèi)的運動。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所光電前沿交叉部王俊研究員團隊在利用飛秒激光可控操控范德華界面上二維納米片的運動方面取得進展。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。

納米機器的光學操縱因其非接觸和非侵入性而在醫(yī)學和原子物理學中顯示出相當大的前景。然而，當納米機器在干燥的范德華基板上時，界面摩擦顯著增加，基板環(huán)境更加復雜，這使得傳統(tǒng)的光學操作面臨著過度粘附阻力的挑戰(zhàn)。實現(xiàn)材料在范德華界面上可控的光學操控，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)生熱應力，由此導致的表面聲波將驅(qū)動納米片在襯底上的運動。研究團隊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動行為，并通過仿真證實氣隙和高斯光束的橫向梯度光強分布引起的作用在納米片上的力的競爭導致了其不受控制的運動，并提出通過減小光斑面積和增加光束強度可以使納米片按照可預測的模式移動(朝向光束中心運動)。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行驅(qū)動，并且提升脈沖激光能量和重復頻率能有效提升驅(qū)動速率。

圖2 在范德華界面上對各種二維材料進行精確可控的光學操縱，實現(xiàn)了復雜的軌跡運動。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，充分展示了光學操控的無損特性，證實了光學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雜軌道環(huán)境中自由移動，證實了光學操控精準可控的性質(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，具有廣闊的應用前景。

相關(guān)研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃等項目支持。

審核編輯 黃宇