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北理工在“纳米剪纸”机电可重构光学器件研究方面取得重要突破


近日,澳门在线威尼斯官方物理学院李家方、张向东、姚裕贵教授团队,与中科院物理所李俊杰和顾长志研究员、麻省理工学院方绚莱教授团队合作,发展了一种片上纳米光机电调控新技术。通过利用静电力驱动纳米剪纸可逆形变,实现了亚微米像素下光学共振的机电调控,并展示了光学手性的片上调谐功能。该创新成果发表在《自然》子刊Nature Communications(IF:12.121)上。

随着纳米制造技术的发展,微机电系统(MEMS)与纳米光子技术相结合,形成了国际前沿的纳米光机电系统(nano-opto-electro-mechanical systems, NOEMS),在信息、电子、医学、工业、汽车、航空航天系统中应用广泛。但可重构单元的小型化和调制深度的提高(通常由空间位移决定)之间存在制衡,使NOEMS结构设计局限在悬臂梁和超薄膜等少数选项。这限制了光机电调制的对比度,并导致亚微米像素的空间光调制存在技术瓶颈(例如DMD芯片像素尺寸限制在5微米以上、调制频率在40kHz以下)。为解决这些问题,李家方教授及合作团队在2018年发明了一种纳米剪纸技术[Science Advances 4, eaat4436 (2018)],可以灵活、自动地制备各种新颖的三维及准三维纳米结构[Light-Sci. Appl. 9, 75 (2020)],并具有力学上的可重构功能[Adv. Mater. 32, 1907077 (2020)]。经过长期的理论和实验探索,李家方教授及合作团队提出了一种基于静电力驱动的纳米剪纸可逆形变NOEMS。如图1a,b所示,通过在顶部的金属纳米图案和底部的硅衬底之间施加不同的电压,可以利用静电力在大调制深度下实现大面积、像素化、原位、可逆的三维纳米剪纸变形(图1c-f)。

图1: (a-c) 静电力驱动纳米剪纸形变原理图;(d)形变前后结构单元模拟图;(e,f)实验制备的四臂风车阵列施加电压前2D和施加电压后形成3D结构SEM图。比例尺:1 μm。

纳米尺度的片上可重构光学调制是诸如光子集成、超表面和光学超材料等应用所面临的最重要的挑战之一。李家方教授及合作团队提出的这种基于纳米剪纸的纳米光机电系统不仅可以通过静电力驱动变形单元产生巨大的平面外位移,而且可以方便地激发光学共振。研究团队通过灵活地设计和优化纳米剪纸图案,分别实现了可见光波段的宽带动态调制(图2a,b)和近红外波段的光学共振调控(图2c,d),像素尺寸可缩小至0.975微米。此外,该研究还在近红外波段实现了光学手性的动态调谐(图2e),理论结果显示该系统调制速度可以达到10MHz以上(图2f)。

更重要的是,这种可重构纳米光机电系统与常规CMOS技术是兼容的,可以进一步实现小型化和大面积制备;同时,该研究提出的纳米剪纸形变原理和静电场垂直驱动机制还可以扩展到其他材料体系和可重构光学平台。这种小尺寸、高对比度、可重构光学纳米剪纸技术为高速、高分辨空间光调制提供了新的设计方法和技术路线,为实现新型NOEMS器件提供了一种新颖的解决方案。

图2: (a,b) 可见光波段风车结构的宽带调谐特性;(c,d)近红外波段螺旋线和交叉线结构的光学共振动态调谐特性;(e)实验测得三臂风车结构形变前后的圆二色谱;(f) 计算所得图a,c两种剪纸结构在不同驱动电压下的本征机械共振频率,结果显示其调制频率可达5-14 MHz。

该研究工作克服了第一代纳米剪纸技术依赖自支撑薄膜/窗口衬底、大面积制备效率低、缺乏快速动态调控功能等不足,实现了第二代机电可重构纳米剪纸技术,为片上可重构光电子器件的物理和应用研究提供了新颖的平台,在纳米光子学、空间光调制、光力学、MEMS、NOEMS等领域有着重要的应用前景。陈珊珊(北理工博士生)、刘之光博士(物理所/现南方科大-MIT博士后)、杜汇丰(MIT博士生)、唐成春工程师(物理所/现阿里达摩院)为论文的共同第一编辑,北理工物理学院李家方教授、中科院物理所李俊杰研究员、麻省理工学院方绚莱教授(Nicholas X. Fang)为论文的共同通讯编辑。研究团队特别感谢华南理工大学李志远教授和中科院物理所陆凌研究员等老师和同学、中科院物理所光物理实验室和微加工实验室、澳门在线威尼斯官方分析测试中心等给予的支撑与帮助。特别致谢中科院物理所吴光恒老师在电学测试方面给予的帮助。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省重点研发计划、北京市自然科学基金等项目的支撑。

文章信息(#为共同一作;*为通讯编辑):

Shanshan Chen#, Zhiguang Liu#, Huifeng Du#, Chengchun Tang#, Chang-Yin Ji, Baogang Quan, Ruhao Pan, Lechen Yang, Xinhao Li, Changzhi Gu, Xiangdong Zhang, Yugui Yao, Junjie Li*, Nicholas X. Fang*, and Jiafang Li*, “Electromechanically reconfigurable optical nano-kirigami”, Nature Communications 12, 1299 (2021).

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21565-x

第一代纳米剪纸技术先容:http://www.nanokirigami.com


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