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近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院李家方、張向東、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)，與中科院物理所李俊杰和顧長(zhǎng)志研究員、麻省理工學(xué)院方絢萊教授團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)展了一種片上納米光機(jī)電調(diào)控新技術(shù)。通過(guò)利用靜電力驅(qū)動(dòng)納米剪紙可逆形變，實(shí)現(xiàn)了亞微米像素下光學(xué)共振的機(jī)電調(diào)控，并展示了光學(xué)手性的片上調(diào)諧功能。該創(chuàng)新成果發(fā)表在《自然》子刊Nature Communications（IF:12.121）上。

隨著納米制造技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)與納米光子技術(shù)相結(jié)合，形成了國(guó)際前沿的納米光機(jī)電系統(tǒng)(nano-opto-electro-mechanical systems, NOEMS)，在信息、電子、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、汽車(chē)、航空航天系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但可重構(gòu)單元的小型化和調(diào)制深度的提高（通常由空間位移決定）之間存在制衡，使NOEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)局限在懸臂梁和超薄膜等少數(shù)選項(xiàng)。這限制了光機(jī)電調(diào)制的對(duì)比度，并導(dǎo)致亞微米像素的空間光調(diào)制存在技術(shù)瓶頸（例如DMD芯片像素尺寸限制在5微米以上、調(diào)制頻率在40kHz以下）。為解決這些問(wèn)題，李家方教授及合作團(tuán)隊(duì)在2018年發(fā)明了一種納米剪紙技術(shù)[Science Advances 4, eaat4436 (2018)]，可以靈活、自動(dòng)地制備各種新穎的三維及準(zhǔn)三維納米結(jié)構(gòu)[Light-Sci. Appl. 9, 75 (2020)]，并具有力學(xué)上的可重構(gòu)功能[Adv. Mater. 32, 1907077 (2020)]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的理論和實(shí)驗(yàn)探索，李家方教授及合作團(tuán)隊(duì)提出了一種基于靜電力驅(qū)動(dòng)的納米剪紙可逆形變NOEMS。如圖1a,b所示，通過(guò)在頂部的金屬納米圖案和底部的硅襯底之間施加不同的電壓，可以利用靜電力在大調(diào)制深度下實(shí)現(xiàn)大面積、像素化、原位、可逆的三維納米剪紙變形（圖1c-f）。

圖1: (a-c) 靜電力驅(qū)動(dòng)納米剪紙形變?cè)韴D；(d)形變前后結(jié)構(gòu)單元模擬圖；(e,f)實(shí)驗(yàn)制備的四臂風(fēng)車(chē)陣列施加電壓前2D和施加電壓后形成3D結(jié)構(gòu)SEM圖。比例尺：1 μm。

納米尺度的片上可重構(gòu)光學(xué)調(diào)制是諸如光子集成、超表面和光學(xué)超材料等應(yīng)用所面臨的最重要的挑戰(zhàn)之一。李家方教授及合作團(tuán)隊(duì)提出的這種基于納米剪紙的納米光機(jī)電系統(tǒng)不僅可以通過(guò)靜電力驅(qū)動(dòng)變形單元產(chǎn)生巨大的平面外位移，而且可以方便地激發(fā)光學(xué)共振。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)靈活地設(shè)計(jì)和優(yōu)化納米剪紙圖案，分別實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光波段的寬帶動(dòng)態(tài)調(diào)制（圖2a,b）和近紅外波段的光學(xué)共振調(diào)控（圖2c,d），像素尺寸可縮小至0.975微米。此外，該研究還在近紅外波段實(shí)現(xiàn)了光學(xué)手性的動(dòng)態(tài)調(diào)諧（圖2e），理論結(jié)果顯示該系統(tǒng)調(diào)制速度可以達(dá)到10MHz以上（圖2f）。

更重要的是，這種可重構(gòu)納米光機(jī)電系統(tǒng)與常規(guī)CMOS技術(shù)是兼容的，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化和大面積制備；同時(shí)，該研究提出的納米剪紙形變?cè)砗挽o電場(chǎng)垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)制還可以擴(kuò)展到其他材料體系和可重構(gòu)光學(xué)平臺(tái)。這種小尺寸、高對(duì)比度、可重構(gòu)光學(xué)納米剪紙技術(shù)為高速、高分辨空間光調(diào)制提供了新的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)路線，為實(shí)現(xiàn)新型NOEMS器件提供了一種新穎的解決方案。

圖2: (a,b) 可見(jiàn)光波段風(fēng)車(chē)結(jié)構(gòu)的寬帶調(diào)諧特性；(c,d)近紅外波段螺旋線和交叉線結(jié)構(gòu)的光學(xué)共振動(dòng)態(tài)調(diào)諧特性；(e)實(shí)驗(yàn)測(cè)得三臂風(fēng)車(chē)結(jié)構(gòu)形變前后的圓二色譜；(f) 計(jì)算所得圖a,c兩種剪紙結(jié)構(gòu)在不同驅(qū)動(dòng)電壓下的本征機(jī)械共振頻率，結(jié)果顯示其調(diào)制頻率可達(dá)5-14 MHz。

該研究工作克服了第一代納米剪紙技術(shù)依賴(lài)自支撐薄膜/窗口襯底、大面積制備效率低、缺乏快速動(dòng)態(tài)調(diào)控功能等不足，實(shí)現(xiàn)了第二代機(jī)電可重構(gòu)納米剪紙技術(shù)，為片上可重構(gòu)光電子器件的物理和應(yīng)用研究提供了新穎的平臺(tái)，在納米光子學(xué)、空間光調(diào)制、光力學(xué)、MEMS、NOEMS等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。陳珊珊（北理工博士生）、劉之光博士（物理所/現(xiàn)南方科大-MIT博士后）、杜匯豐（MIT博士生）、唐成春工程師（物理所/現(xiàn)阿里達(dá)摩院）為論文的共同第一作者，北理工物理學(xué)院李家方教授、中科院物理所李俊杰研究員、麻省理工學(xué)院方絢萊教授（Nicholas X. Fang）為論文的共同通訊作者。研究團(tuán)隊(duì)特別感謝華南理工大學(xué)李志遠(yuǎn)教授和中科院物理所陸凌研究員等老師和同學(xué)、中科院物理所光物理實(shí)驗(yàn)室和微加工實(shí)驗(yàn)室、北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心等給予的支持與幫助。特別致謝中科院物理所吳光恒老師在電學(xué)測(cè)試方面給予的幫助。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

文章信息（^#為共同一作；*為通訊作者）：

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).

文章鏈接：

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

第一代納米剪紙技術(shù)介紹：http://www.nanokirigami.com