上海光机所在飞秒激光可控操控二维纳米片运动方面取得进展

图1 飞秒激光实现蓝宝石衬底上VSe2纳米片的可控光学操控。(a)使用飞秒激光控制VSe2纳米片运动的示意图。(b)纳米片按顺序向下、向右、向上和向左移动，并返回其原始位置。(c)脉冲光激发纳米片产生的光声信号。(d)飞秒激光精准操控纳米片在轨道内的运动。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所光电前沿交叉部王俊研究员团队在利用飞秒激光可控操控范德华界面上二维纳米片的运动方面取得进展。相关研究成果以“Controllable All-Optical Manipulation of 2D Photoacoustic Actuators on van der Waals Interfaces”为题，作为封面文章发表于Advanced Optical Materials。

纳米机器的光学操纵因其非接触和非侵入性而在医学和原子物理学中显示出相当大的前景。然而，当纳米机器在干燥的范德华基板上时，界面摩擦显著增加，基板环境更加复杂，这使得传统的光学操作面临着过度粘附阻力的挑战。实现材料在范德华界面上可控的光学操控，将为精确控制器件性能，满足阵列型器件对均质性的要求，并开发器件极限性能提供全新、无损且经济的方案。

脉冲激光垂直照射在纳米片表面时，纳米片由于不均匀的温度升高将产生热应力，由此导致的表面声波将驱动纳米片在衬底上的运动。研究团队利用超高灵敏度的微腔超声探针，成功探测到了脉冲激光照射VSe2纳米片时产生的声波。研究人员深入分析了纳米片在相同光束下的可变运动行为，并通过仿真证实气隙和高斯光束的横向梯度光强分布引起的作用在纳米片上的力的竞争导致了其不受控制的运动，并提出通过减小光斑面积和增加光束强度可以使纳米片按照可预测的模式移动(朝向光束中心运动)。此外，研究人员表明驱动激光波长需要满足材料的吸收波段才能有效对其进行驱动，并且提升脉冲激光能量和重复频率能有效提升驱动速率。

图2 在范德华界面上对各种二维材料进行精确可控的光学操纵，实现了复杂的轨迹运动。这种非破坏性方法为光电器件制造和高性能芯片开发提供了一种新的解决方案。

进一步的，通过拉曼光谱、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)等表征方法，充分展示了光学操控的无损特性，证实了光学操控用于器件制备的可能性。使用飞秒激光并结合程序控制，研究人员可以驱动纳米片在特定的复杂轨道环境中自由移动，证实了光学操控精准可控的性质。此外，大量二维材料，如石墨烯、MoS2、MoTe2、WSe2、WTe2、NbS2、TaS2等都可以被飞秒激光驱动。

该技术为设计新型电子器件提供了一种新方法，如精确控制器件性能，满足阵列型器件对均匀性的要求，为开发器件极致性能提供了通道，具有广阔的应用前景。

相关研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划等项目支持。

审核编辑 黄宇