快讯| 北理工团队纳米剪纸助力应变光电子学

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撰稿| 由课题组供稿




研究背景

高精密微纳制造是当代信息技术得以建立和发展的重要基础。其中,自上而下(top-down)的减材制造和自下而上(bottom-up)的增材制造方式几乎覆盖了整个精密制造领域。近年来,三维剪纸和折纸技术以其独特的制造方式在力学、微电子、声学、光学等领域得到了广泛的重视,其最大的特点是材料本身的质量在三维重构过程中几乎不发生改变,既非增材也不减材,通过几何变换的方式即可使结构所占空间发生几个数量级的变化,蕴涵着深邃的科学变换思想和巨大的发展空间。




创新研究

北理工李家方教授及合作团队在2018年发展了一种基于纳米剪纸的三维微纳加工技术[Science Advances 4, eaat4436 (2018)],实现了一系列新颖的三维及准三维纳米结构[Nanophotonics 7, 1637 (2018); APL Photonics 3, 100803 (2018)]近日,李家方教授与华南理工大学李志远教授团队合作,对近年来新兴的三维微纳剪纸与折纸制造技术的原理与方法,以及二维平面材料与结构在微纳尺度三维形变构筑的实现、应用、挑战和发展趋势,进行了全面的介绍和深入的讨论,以长篇综述论文的形式发表在光学领域权威期刊Light: Science & Applications研究团队在综述论文中指出,微纳尺度的剪纸/折纸形变拥有传统三维微纳加工手段所不能及的特点,可以在微纳米级尺度实现折叠、弯曲、拉伸、扭转等丰富的三维形变,因而在二维材料、生物和光学器件、可重构系统等领域展现出巨大的应用潜力(图1)。


基于剪纸/折纸技术的可重构光学应用[1]


该研究方向很好地助推了新兴的应变光电子学[Strainoptronics,也称为形变光电子学,是strain(应变变形)、optics(光学)、和electronics(电子学)三个单词的组合],即通过微纳结构的应变变形,来设计微纳光电子器件的崭新技术。该方向可望为进一步开发和重塑现有材料的力、热、电、磁、光、声等特性提供一种简单而有效的手段,有望解决微纳器件领域的诸多难题。为此,在众多合作团队的鼎力支持下,李家方教授团队潜心摸索、陆续取得了初步进展(图2-3

其中,与北理工张向东、姚裕贵教授团队,及暨南大学徐毅及李向平教授合作,实现了可变形立体超表面[Advanced Materials 32, 1907077 (2020)],通过调控手性Fano共振线型的反转实现了光学手性增强,并实现了片上可逆调谐的圆二色性;与南方科技大学李贵新教授团队合作,首次发现了纳米剪纸形变超表面产生的手性二次谐波[Laser & Photonics Review 14, 2000085 (2020)];与中央民族大学郭红莲及冯帅教授团队合作,将纳米剪纸形变结构集成至微流体器件,实现了光学波段的气动可调谐超表面[Photonics Research 8, 1177-1182 (2020)];与北理工刘娟及王涌天教授合作,实现了纳米剪纸的多层可扩展制备及可见光波段形变依赖的光场调控 [Photonics Research 8, (2020) DOI: 10.1364/PR.398467]


a)可形变立体超表面及可调谐光学手性[2]。(b)纳米剪纸结构产生手性二次谐波[3]


a-c)气动可调谐超表面[4]。(d-g)多层可扩展纳米剪纸结构及可见光相位调控[5]




总 结

该系列研究为微纳结构的应变光电子学发展提供了一些新的思路和技术途径。目前团队正致力于发展纳米剪纸结构光电调控技术,期待该研究方向能够在动态调谐超表面、微纳机电系统、微流体芯片、以及可重构光电器件等方面发挥作用。作者感谢北京理工大学、中科院物理所、麻省理工学院、国家自然科学基金、广东省创新基金和重点研发计划、北京市自然科学基金等合作团队和项目的支持。

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 文章信息

[1] 综述论文:Shanshan Chen#, Jianfeng Chen#, Xiangdong Zhang, Zhi-Yuan Li* and Jiafang Li*, “Kirigami/origami: unfolding the new regime of advanced 3D microfabrication/nanofabrication with “folding””, Light: Science & Applications 9, 75 (2020). http://www.nature.com/articles/s41377-020-0309-9

[2] 可形变立体超表面:Zhiguang Liu#, Yi Xu#, Chang-Yin Ji#, Shanshan Chen, Xiangping Li, Xiangdong Zhang, Yugui Yao, and Jiafang Li*, “Fano-enhanced circular dichroism in deformable stereo metasurfaces”, Advanced Materials 32, 1907077 (2020).

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907077


[3] 纳米剪纸手性二次谐波:Y. Tang#, Z. Liu#, J. Deng, K. Li, J. Li*, and G. Li*, "Nano-Kirigami Metasurface with Giant Nonlinear Optical Circular Dichroism," Laser & Photonics Reviews 14, 2000085 (2020).  

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202000085


[4] 纳米剪纸气动调谐超表面:S. Chen#, W. Wei#, Z. Liu, X. Liu, S. Feng, H. Guo*, and J. Li*, "Reconfigurable nano-kirigami metasurfaces by pneumatic pressure," Photonics Research 8, 1177-1182 (2020).  http://doi.org/10.1364/PRJ.393333


[5] 多层纳米剪纸及形变依赖的光场调控初探:Yu Han, Zhiguang Liu, Shanshan Chen, Juan Liu*, Yongtian Wang, and Jiafang Li*, "Cascaded multilayer nano-kirigami for extensible 3D nanofabrication and visible light manipulation," Photonics Research 8, in press (2020). http://www.osapublishing.org/prj/upcoming_pdf.cfm?id=398467


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