李家方、张向东、姚裕贵等：“纳米剪纸”机电可重构光学器件研究方面取得重要突破

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近日，北京理工大学物理学院李家方、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）为论文的共同第一作者，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）为论文的共同通讯作者。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、北京理工大学分析测试中心等给予的支持与帮助。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持。


         文章信息（#为共同一作；*为通讯作者）：
         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介绍：http://www.nanokirigami.com


        文章来源：北京理工大学
        李家方，北京理工大学物理学院教授、博导，2002年与2005年分别于南开大学获学士、硕士学位，2009年于澳大利亚顾敏院士课题组获博士学位，2009年至2018年在中科院物理所参加工作，2017年于麻省理工学院进行访问研究，2018年12月调入北京理工大学。研究聚焦于三维纳米制造技术，以及微纳尺度下光与物质的相互作用，与合作团队在2018年国际首创纳米剪纸三维微纳加工技术，2020年发展微纳应变光电子学新方向，在相关领域引起广泛关注，被Science Daily、PHYS ORG、MIT news、新华网等专门报导。研究成果在Science Advances, Advanced Materials, Light: Science & Applications等国内外期刊上发表文章70余篇，担任Nature出版集团Scientific Reports杂志编委，承担基金委、科技部、中科院课题十余项。
         张向东，北京理工大学物理学院教授、博士生导师。1998年中科院物理所获博士学位，然后于1998年至2002年在香港科技大学作访问学者从事博士后研究。2002年8月至2011年9月任北京师范大学物理系教授, 2011年10月调入北京理工大学任量子调控及应用研究中心主任。2004年入选教育部《新世纪优秀人才支持计划》，2008年获国家杰出青年科学基金。
         姚裕贵，北京理工大学教授，博士生导师。1992年在南开大学获得物理学学士学位，其后分别获得中科院上海光机所的光学硕士学位(1995)和力学所的力学博士学位（1999）。1999-2003年先后在中科院物理所、Texas大学Austin分校从事博士后研究，2001-2011年物理所先后任助理研究员、副研究员、研究员，2011年底调到北京理工大学工作。 姚裕贵教授主要从事凝聚态物理和计算物理研究，在反常霍尔效应、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等方面的研究成果国际上有重要影响，被诺贝尔奖得主Geim、美国科学院院士Vanderbilt、Kane和张首晟等教授广泛引用；关于反常输运的部分成果写入教科书，硅烯研究中提出的理论模型被冠名。至今发表SCI论文160余篇（包括 Phy. Rev. Lett.23篇，Phy. Rev. B/A/E/M70余篇，Nature子刊5篇，影响因子>10的顶级期刊论文10余篇），总引用11500余次，单篇最高引用1300余次，5篇论文引用超过500次，H指数48。2011年获“中国科学院杰出科技成就奖”、2012年获得国家杰出青年基金资助、并入选2012年度“长江学者特聘教授”计划、2014年度“科技部中青年科技创新领军人才”计划和2016年度“国家万人计划科技创新领军人才”计划，2017年获北京市高等教育教学成果二等奖，2018年荣获国家科学技术奖自然科学奖二等奖（第一完成人），同时入选科睿唯安物理领域“高被引科学家”名单。