中國科學院科學家利用飛秒脈衝(chong) 激光作用於(yu) 範德華界麵的二維納米片驅動器 ， 相關(guan) 研究以 “Photoacoustic 2D actuator via femtosecond pulsed laser action on van der Waals interfaces” 為(wei) 題發表在《 Nature Communications 》上。

實現光控納米機器工程可以滿足光電子、納米技術和生物學對無接觸和非侵入性的要求。傳(chuan) 統的光學操作主要是基於(yu) 光學和光電泳力，它們(men) 通常在氣體(ti) 或液體(ti) 環境中驅動粒子。然而，在非流體(ti) 環境(如強範德華界麵)中開發光驅仍然很困難。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納米片可以克服界麵範德華力(數十和數百兆帕斯卡的表麵密度)並在水平表麵上移動。研究人員將觀察到的光學驅動歸因於(yu) 激光誘導的不對稱熱應力和納米片內(nei) 部表麵聲波產(chan) 生的動量。具有高吸收係數的二維半金屬材料豐(feng) 富了適於(yu) 在平麵上實現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(yu) 扁平藍寶石和石英玻璃襯底幹接觸時被飛秒脈衝(chong) 激光驅動，表明納米片與(yu) 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，以找到光驅中的敏感參數。研究人員根據作用在其中的力的大小分析了其可能的機製，並根據光聲機製提出了對所發現現象性質的理解。通過透射電子顯微鏡觀察到，納米片邊緣與(yu) 襯底之間的氣隙不可避免地導致局部過熱，從(cong) 而導致不對稱的熱應力和表麵聲波。通過對不同二維材料-襯底係統的分析，大的吸收係數(~ 105 cm−1)似乎是該光驅的關(guan) 鍵特性。對於(yu) 這類材料，熱膨脹係數和體(ti) 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(wei) 434 μm·s−1·mW−1，遠高於(yu) 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(yu) 襯底的附著力的方法，擴大了二維材料作為(wei) 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，並由垂直脈衝(chong) 激光束完全覆蓋，如圖1a所示。當脈衝(chong) 激光照射時，VSe2納米片開始運動，並在均勻光照區域內(nei) 持續運動。然後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。由於(yu) 與(yu) 襯底的連接，納米片的運動被限製在襯底表麵平麵(x, y平麵)。這種光誘導運動表明，在該致動器係統中發生了光能到機械能的轉換。

圖1:藍寶石襯底上二維材料納米片的光驅動。

為(wei) 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顯示了在脈衝(chong) 能量固定的情況下，行進速度作為(wei) 重複頻率的函數。速度隨重複頻率呈線性增長，說明每個(ge) 激光脈衝(chong) 都可以驅動納米片移動一定距離(圖2b)，並且每個(ge) 脈衝(chong) 誘導的移動是相互獨立的。圖2c顯示了速度與(yu) 激光脈衝(chong) 能量之間的關(guan) 係。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納米片驅動器的速度。

通過聚焦離子束(FIB)技術將其中一個(ge) 納米片與(yu) 藍寶石襯底切割在一起，並使用高分辨率透射電鏡觀察接觸麵積，如圖3所示。

圖3:藍寶石襯底上VSe2納米片的透射電鏡橫截麵圖像。

圖4:激光脈衝(chong) 後VSe2納米片溫度增量時空分布模型。

圖5:VSe2納米片在1hz頻率下的光驅動。

實現了二維納米片在非流體(ti) 環境下的全光驅動，對其實際應用具有啟發意義(yi) 。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(men) 成功地拚接在一起。因此，光聲操控方法使研究人員能夠將二維材料組裝在一起並構建它們(men) 的結構，這是一種很有潛力的製造橫向光子和光電子器件的方法。

圖6:VSe2納米片的全光學拚接。

論文鏈接：

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