中国科学院科学家利用飞秒脉冲激光作用于范德华界面的二维纳米片驱动器 ， 相关研究以 “Photoacoustic 2D actuator via femtosecond pulsed laser action on van der Waals interfaces” 为题发表在《 Nature Communications 》上。

实现光控纳米机器工程可以满足光电子、纳米技术和生物学对无接触和非侵入性的要求。传统的光学操作主要是基于光学和光电泳力，它们通常在气体或液体环境中驱动粒子。然而，在非流体环境(如强范德华界面)中开发光驱仍然很困难。在此，研究人员描述了一种由正交飞秒激光定向的高效二维纳米片驱动器，其中沉积在蓝宝石衬底上的二维VSe2和TiSe2纳米片可以克服界面范德华力(数十和数百兆帕斯卡的表面密度)并在水平表面上移动。研究人员将观察到的光学驱动归因于激光诱导的不对称热应力和纳米片内部表面声波产生的动量。具有高吸收系数的二维半金属材料丰富了适于在平面上实现光控纳米机器的材料族。

研究人员报告了在超快激光照射下二维材料的有趣性能，其中VSe2和TiSe2纳米片在与扁平蓝宝石和石英玻璃衬底干接触时被飞秒脉冲激光驱动，表明纳米片与衬底之间的大vdW相互作用被克服。此外，研究人员还研究了各种二维材料的性质，以找到光驱中的敏感参数。研究人员根据作用在其中的力的大小分析了其可能的机制，并根据光声机制提出了对所发现现象性质的理解。通过透射电子显微镜观察到，纳米片边缘与衬底之间的气隙不可避免地导致局部过热，从而导致不对称的热应力和表面声波。通过对不同二维材料-衬底系统的分析，大的吸收系数(~ 105 cm−1)似乎是该光驱的关键特性。对于这类材料，热膨胀系数和体积模量也变得很重要。实验中观察到的VSe2致动器的最大速度效率为434 μm·s−1·mW−1，远高于以往报道的光声操作效率。因此，研究人员提出了一种克服二维材料与衬底的附着力的方法，扩大了二维材料作为纳米机器的应用可能性。

通过机械剥离(ME)方法将VSe2纳米片附着在水平抛光的蓝宝石衬底上，并由垂直脉冲激光束完全覆盖，如图1a所示。当脉冲激光照射时，VSe2纳米片开始运动，并在均匀光照区域内持续运动。然后将光源朝纳米片方向移动，使其运动均匀。运动特性如图1b所示。由于与衬底的连接，纳米片的运动被限制在衬底表面平面(x, y平面)。这种光诱导运动表明，在该致动器系统中发生了光能到机械能的转换。

图1:蓝宝石衬底上二维材料纳米片的光驱动。

为了进一步评估运动的影响，研究人员确定了VSe2纳米片的速度。图2a显示了在脉冲能量固定的情况下，行进速度作为重复频率的函数。速度随重复频率呈线性增长，说明每个激光脉冲都可以驱动纳米片移动一定距离(图2b)，并且每个脉冲诱导的移动是相互独立的。图2c显示了速度与激光脉冲能量之间的关系。它随激光能量线性增加(图2d)，特别是具有阶梯状阈值。

图2: VSe2纳米片驱动器的速度。

通过聚焦离子束(FIB)技术将其中一个纳米片与蓝宝石衬底切割在一起，并使用高分辨率透射电镜观察接触面积，如图3所示。

图3:蓝宝石衬底上VSe2纳米片的透射电镜横截面图像。

图4:激光脉冲后VSe2纳米片温度增量时空分布模型。

图5:VSe2纳米片在1hz频率下的光驱动。

实现了二维纳米片在非流体环境下的全光驱动，对其实际应用具有启发意义。例如，如图6所示，分离的纳米片逐渐向较大的纳米片移动，直到它们成功地拼接在一起。因此，光声操控方法使研究人员能够将二维材料组装在一起并构建它们的结构，这是一种很有潜力的制造横向光子和光电子器件的方法。

图6:VSe2纳米片的全光学拼接。

论文链接：

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