隨著納米制造技術(shù)的發(fā)展，微機電系統(tǒng)(MEMS)與納米光子技術(shù)相結(jié)合，形成了國際前沿的納米光機電系統(tǒng)(nano-opto-electro-mechanical systems, NOEMS)，在信息、電子、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、汽車、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)計局限在懸臂梁和超薄膜等少數(shù)選項。

這限制了光機電調(diào)制的對比度，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）。為解決這些問題，李家方教授及合作團隊在2018年發(fā)明了一種納米剪紙技術(shù)[Science Advances 4, eaat4436 (2018)]，可以靈活、自動地制備各種新穎的三維及準三維納米結(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于靜電力驅(qū)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(diào)制深度下實現(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)動納米剪紙形變原理圖；(d)形變前后結(jié)構(gòu)單元模擬圖；(e,f)實驗制備的四臂風(fēng)車陣列施加電壓前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隊提出的這種基于納米剪紙的納米光機電系統(tǒng)不僅可以通過靜電力驅(qū)動變形單元產(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。研究團隊通過靈活地設(shè)計和優(yōu)化納米剪紙圖案，分別實現(xiàn)了可見光波段的寬帶動態(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現(xiàn)了光學(xué)手性的動態(tài)調(diào)諧（圖2e），理論結(jié)果顯示該系統(tǒng)調(diào)制速度可以達到10MHz以上（圖2f）。

 

更重要的是，這種可重構(gòu)納米光機電系統(tǒng)與常規(guī)CMOS技術(shù)是兼容的，可以進一步實現(xiàn)小型化和大面積制備；同時，該研究提出的納米剪紙形變原理和靜電場垂直驅(qū)動機制還可以擴展到其他材料體系和可重構(gòu)光學(xué)平臺。這種小尺寸、高對比度、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)計方法和技術(shù)路線，為實現(xiàn)新型NOEMS器件提供了一種新穎的解決方案。

圖2: (a,b) 可見光波段風(fēng)車結(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)共振動態(tài)調(diào)諧特性；(e)實驗測得三臂風(fēng)車結(jié)構(gòu)形變前后的圓二色譜；(f) 計算所得圖a,c兩種剪紙結(jié)構(gòu)在不同驅(qū)動電壓下的本征機械共振頻率，結(jié)果顯示其調(diào)制頻率可達5-14 MHz。

 

該研究工作克服了第一代納米剪紙技術(shù)依賴自支撐薄膜/窗口襯底、大面積制備效率低、缺乏快速動態(tài)調(diào)控功能等不足，實現(xiàn)了第二代機電可重構(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，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。研究團隊特別感謝華南理工大學(xué)李志遠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驗室和微加工實驗室、北京理工大學(xué)分析測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)測試方面給予的幫助。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、廣東省重點研發(fā)計劃、北京市自然科學(xué)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：

 

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