中國科學院科學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。
實現(xiàn)光控納米機器工程可以滿足光電子、納米技術(shù)和生物學對無接觸和非侵入性的要求。傳統(tǒng)的光學操作主要是基于光學和光電泳力，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驅(qū)動歸因于激光誘導的不對稱熱應力和納米片內(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現(xiàn)光控納米機器的材料族。
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制，并根據(jù)光聲機制提出了對所發(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致局部過熱，從而導致不對稱的熱應力和表面聲波。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。實驗中觀察到的VSe2致動器的最大速度效率為434 μm·s?1·mW?1，遠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，擴大了二維材料作為納米機器的應用可能性。
通過機械剝離(ME)方法將VSe2納米片附著在水平拋光的藍寶石襯底上，并由垂直脈沖激光束完全覆蓋，如圖1a所示。當脈沖激光照射時，VSe2納米片開始運動，并在均勻光照區(qū)域內(nèi)持續(xù)運動。然后將光源朝納米片方向移動，使其運動均勻。運動特性如圖1b所示。由于與襯底的連接，納米片的運動被限制在襯底表面平面(x, y平面)。這種光誘導運動表明，在該致動器系統(tǒng)中發(fā)生了光能到機械能的轉(zhuǎn)換。
圖1:藍寶石襯底上二維材料納米片的光驅(qū)動。
為了進一步評估運動的影響，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，行進速度作為重復頻率的函數(shù)。速度隨重復頻率呈線性增長，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)，并且每個脈沖誘導的移動是相互獨立的。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，對其實際應用具有啟發(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)⒍S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納米片的全光學拼接。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37763-8
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