北理工在“納米剪紙”機電可重構光學器件研究方面取得重要突破


近日,北京理工大學物理學院李家方、張向東、姚裕貴教授團隊,與中科院物理所李俊傑和顧長志研究員、麻省理工學院方絢萊教授團隊合作,發展了一種片上納米光機電調控新技術。通過利用靜電力驅動納米剪紙可逆形變,實現了亞微米像素下光學共振的機電調控,並展示了光學手性的片上調諧功能。該創新成果發表在《自然》子刊Nature Communications(IF:12.121)上。

隨着納米制造技術的發展,微機電系統(MEMS)與納米光子技術相結合,形成了國際前沿的納米光機電系統(nano-opto-electro-mechanical systems, NOEMS),在信息、電子、醫學、工業、汽車、航空航天系統中應用廣泛。但可重構單元的小型化和調製深度的提高(通常由空間位移決定)之間存在制衡,使NOEMS結構設計侷限在懸臂樑和超薄膜等少數選項。這限制了光機電調製的對比度,並導致亞微米像素的空間光調製存在技術瓶頸(例如DMD芯片像素尺寸限制在5微米以上、調製頻率在40kHz以下)。為解決這些問題,李家方教授及合作團隊在2018年發明了一種納米剪紙技術[Science Advances 4, eaat4436 (2018)],可以靈活、自動地製備各種新穎的三維及準三維納米結構[Light-Sci. Appl. 9, 75 (2020)],並具有力學上的可重構功能[Adv. Mater. 32, 1907077 (2020)]。經過長期的理論和實驗探索,李家方教授及合作團隊提出了一種基於靜電力驅動的納米剪紙可逆形變NOEMS。如圖1a,b所示,通過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製深度下實現大面積、像素化、原位、可逆的三維納米剪紙變形(圖1c-f)。

圖1: (a-c) 靜電力驅動納米剪紙形變原理圖;(d)形變前後結構單元模擬圖;(e,f)實驗製備的四臂風車陣列施加電壓前2D和施加電壓後形成3D結構SEM圖。比例尺:1 μm。

納米尺度的片上可重構光學調製是諸如光子集成、超表面和光學超材料等應用所面臨的最重要的挑戰之一。李家方教授及合作團隊提出的這種基於納米剪紙的納米光機電系統不僅可以通過靜電力驅動變形單元產生巨大的平面外位移,而且可以方便地激發光學共振。研究團隊通過靈活地設計和優化納米剪紙圖案,分別實現了可見光波段的寬帶動態調製(圖2a,b)和近紅外波段的光學共振調控(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現了光學手性的動態調諧(圖2e),理論結果顯示該系統調製速度可以達到10MHz以上(圖2f)。

更重要的是,這種可重構納米光機電系統與常規CMOS技術是兼容的,可以進一步實現小型化和大面積製備;同時,該研究提出的納米剪紙形變原理和靜電場垂直驅動機制還可以擴展到其他材料體系和可重構光學平台。這種小尺寸、高對比度、可重構光學納米剪紙技術為高速、高分辨空間光調製提供了新的設計方法和技術路線,為實現新型NOEMS器件提供了一種新穎的解決方案。

圖2: (a,b) 可見光波段風車結構的寬帶調諧特性;(c,d)近紅外波段螺旋線和交叉線結構的光學共振動態調諧特性;(e)實驗測得三臂風車結構形變前後的圓二色譜;(f) 計算所得圖a,c兩種剪紙結構在不同驅動電壓下的本徵機械共振頻率,結果顯示其調製頻率可達5-14 MHz。

該研究工作克服了第一代納米剪紙技術依賴自支撐薄膜/窗口襯底、大面積製備效率低、缺乏快速動態調控功能等不足,實現了第二代機電可重構納米剪紙技術,為片上可重構光電子器件的物理和應用研究提供了新穎的平台,在納米光子學、空間光調製、光力學、MEMS、NOEMS等領域有着重要的應用前景。陳珊珊(北理工博士生)、劉之光博士(物理所/現南方科大-MIT博士後)、杜匯豐(MIT博士生)、唐成春工程師(物理所/現阿里達摩院)為論文的共同第一作者,北理工物理學院李家方教授、中科院物理所李俊傑研究員、麻省理工學院方絢萊教授(Nicholas X. Fang)為論文的共同通訊作者。研究團隊特別感謝華南理工大學李志遠教授和中科院物理所陸凌研究員等老師和同學、中科院物理所光物理實驗室和微加工實驗室、北京理工大學分析測試中心等給予的支持與幫助。特別緻謝中科院物理所吳光恆老師在電學測試方面給予的幫助。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省重點研發計劃、北京市自然科學基金等項目的支持。

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:

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

第一代納米剪紙技術介紹://www.nanokirigami.com


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