中國科學(xué)院科學(xué)家利用飛秒脈沖激光作用于范德華界面的二維納米片驅(qū)動器 ， 相關(guān)研究以 “Photoacoustic 2D actuator via femtosecond pulsed laser action on van der Waals interfaces” 為題發(fā)表在《 Nature Communications 》上。

實(shí)現(xiàn)光控納米機(jī)器工程可以滿足光電子、納米技術(shù)和生物學(xué)對無接觸和非侵入性的要求。傳統(tǒng)的光學(xué)操作主要是基于光學(xué)和光電泳力，它們通常在氣體或液體環(huán)境中驅(qū)動粒子。然而，在非流體環(huán)境(如強(qiáng)范德華界面)中開發(fā)光驅(qū)仍然很困難。在此，研究人員描述了一種由正交飛秒激光定向的高效二維納米片驅(qū)動器，其中沉積在藍(lán)寶石襯底上的二維VSe2和TiSe2納米片可以克服界面范德華力(數(shù)十和數(shù)百兆帕斯卡的表面密度)并在水平表面上移動。研究人員將觀察到的光學(xué)驅(qū)動歸因于激光誘導(dǎo)的不對稱熱應(yīng)力和納米片內(nèi)部表面聲波產(chǎn)生的動量。具有高吸收系數(shù)的二維半金屬材料豐富了適于在平面上實(shí)現(xiàn)光控納米機(jī)器的材料族。

研究人員報告了在超快激光照射下二維材料的有趣性能，其中VSe2和TiSe2納米片在與扁平藍(lán)寶石和石英玻璃襯底干接觸時被飛秒脈沖激光驅(qū)動，表明納米片與襯底之間的大vdW相互作用被克服。此外，研究人員還研究了各種二維材料的性質(zhì)，以找到光驅(qū)中的敏感參數(shù)。研究人員根據(jù)作用在其中的力的大小分析了其可能的機(jī)制，并根據(jù)光聲機(jī)制提出了對所發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象性質(zhì)的理解。通過透射電子顯微鏡觀察到，納米片邊緣與襯底之間的氣隙不可避免地導(dǎo)致局部過熱，從而導(dǎo)致不對稱的熱應(yīng)力和表面聲波。通過對不同二維材料-襯底系統(tǒng)的分析，大的吸收系數(shù)(~ 105 cm?1)似乎是該光驅(qū)的關(guān)鍵特性。對于這類材料，熱膨脹系數(shù)和體積模量也變得很重要。實(shí)驗(yàn)中觀察到的VSe2致動器的最大速度效率為434 μm·s?1·mW?1，遠(yuǎn)高于以往報道的光聲操作效率。因此，研究人員提出了一種克服二維材料與襯底的附著力的方法，擴(kuò)大了二維材料作為納米機(jī)器的應(yīng)用可能性。

通過機(jī)械剝離(ME)方法將VSe2納米片附著在水平拋光的藍(lán)寶石襯底上，并由垂直脈沖激光束完全覆蓋，如圖1a所示。當(dāng)脈沖激光照射時，VSe2納米片開始運(yùn)動，并在均勻光照區(qū)域內(nèi)持續(xù)運(yùn)動。然后將光源朝納米片方向移動，使其運(yùn)動均勻。運(yùn)動特性如圖1b所示。由于與襯底的連接，納米片的運(yùn)動被限制在襯底表面平面(x, y平面)。這種光誘導(dǎo)運(yùn)動表明，在該致動器系統(tǒng)中發(fā)生了光能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

圖1:藍(lán)寶石襯底上二維材料納米片的光驅(qū)動。

為了進(jìn)一步評估運(yùn)動的影響，研究人員確定了VSe2納米片的速度。圖2a顯示了在脈沖能量固定的情況下，行進(jìn)速度作為重復(fù)頻率的函數(shù)。速度隨重復(fù)頻率呈線性增長，說明每個激光脈沖都可以驅(qū)動納米片移動一定距離(圖2b)，并且每個脈沖誘導(dǎo)的移動是相互獨(dú)立的。圖2c顯示了速度與激光脈沖能量之間的關(guān)系。它隨激光能量線性增加(圖2d)，特別是具有階梯狀閾值。

圖2: VSe2納米片驅(qū)動器的速度。

通過聚焦離子束(FIB)技術(shù)將其中一個納米片與藍(lán)寶石襯底切割在一起，并使用高分辨率透射電鏡觀察接觸面積，如圖3所示。

圖3:藍(lán)寶石襯底上VSe2納米片的透射電鏡橫截面圖像。

圖4:激光脈沖后VSe2納米片溫度增量時空分布模型。

圖5:VSe2納米片在1hz頻率下的光驅(qū)動。

實(shí)現(xiàn)了二維納米片在非流體環(huán)境下的全光驅(qū)動，對其實(shí)際應(yīng)用具有啟發(fā)意義。例如，如圖6所示，分離的納米片逐漸向較大的納米片移動，直到它們成功地拼接在一起。因此，光聲操控方法使研究人員能夠?qū)⒍S材料組裝在一起并構(gòu)建它們的結(jié)構(gòu)，這是一種很有潛力的制造橫向光子和光電子器件的方法。

圖6:VSe2納米片的全光學(xué)拼接。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37763-8