电源/性能位:1月25日

纳米级3D光学
莱斯大学和休斯顿大学的研究人员正在使用3D打印来建造二氧化硅的纳米结构用于微型电子、机械和光子器件。

“用传统的光刻技术制作复杂的三维几何图形非常困难，”莱斯大学材料科学和纳米工程教授楼俊(Jun Lou)说。“它也不是很‘环保’，因为它需要很多化学物质和很多步骤。即使付出了那么多努力，有些结构还是无法用这些方法做出来。原则上，我们可以打印任意的3D形状，这对于制造奇异的光子设备来说是非常有趣的。这就是我们想要证明的。”

该团队使用双光子聚合工艺打印出只有几百纳米宽的结构，比光的波长还小。激光通过促使墨水吸收两个光子，引发材料的自由基聚合来“书写”这些线条。

莱斯大学的材料科学家们在显微镜下看到的精细结构。烧结使它们变成玻璃或方石英。(来源:莱斯大学纳米材料、纳米力学和纳米器件实验室)

“正常的聚合包括聚合物单体和光引发剂，这些分子吸收光并产生自由基，”莱斯大学研究生张博宇(Boyu Zhang)说。“在我们的过程中，光引发剂同时吸收两个光子，这需要大量的能量。只有一个非常小的能量峰值会引起聚合，而且只发生在一个非常小的空间里。这就是为什么这个过程可以让我们超越光的衍射极限。”

为了制造这种墨水，研究人员使用了含有二氧化硅纳米球的树脂，并掺杂了聚乙二醇，使其可溶解。

打印完成后，结构通过高温烧结固化，消除产品中的所有聚合物，留下无定形玻璃或多晶方石英。Lou说:“当加热时，材料会经历从玻璃到晶体的阶段，温度越高，晶体就越有序。”

该实验室还演示了在材料中掺杂各种稀土盐，使产品发光，这是光学应用的一个重要特性。该实验室的下一个目标是改进工艺，以达到10纳米以下的分辨率。

简单的空间光调制器
哈佛大学和华盛顿大学的研究人员开发了一种简单的空间光调制器它由覆盖在一层光电材料薄膜上的金电极制成，这种薄膜可以根据电信号改变其光学特性。

“这种简单的空间光调制器是光学和电子领域之间的桥梁，”哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的博士后Cristina Benea-Chelmus说。“当你将光学和电子学结合起来时，你可以使用已经开发的整个电子学骨干来开辟光学的新功能。”

研究人员使用的电光材料在施加电信号时改变其折射率。通过将材料划分为像素，研究人员可以用互锁电极分别控制每个像素中的光强度。只需少量的功率，该设备就可以极大地改变每个像素处的光强度，并可以有效地调制可见光谱中的光。

哈佛大学应用物理学教授、电气工程高级研究员Federico Capasso说:“我们认为我们的工作标志着有机纳米结构混合光电领域的开始，该领域在成像、远程控制、环境监测、自适应光学和激光测距方面具有广泛的应用。”

到目前为止，研究人员已经通过单像素成像演示了用于图像投影和遥感的新型空间光调制器，并计划将该技术商业化。

扭转2D tmd
来自宾夕法尼亚州立大学、哈佛大学、麻省理工学院和罗格斯大学的研究人员调查了如何控制捻角在光电器件中使用的一种特殊类型的双分子层二维材料中，可以增强存在于两层之间的本征电荷。

研究人员使用了常规过渡金属二卤属化合物(TMD) 2D材料和Janus TMDs，这是一种以罗马二元之神Janus命名的2D材料。这些双分子层2D材料在层与层之间有相互作用，称为范德华层间耦合，导致电荷转移，这是一个对电子设备功能很重要的过程。传统的tmd两边的电荷转移是相同的，因为每一边都有相同类型的原子。在Janus TMD材料的情况下，材料两侧的原子类型不同，导致每一侧与其他二维材料接触时电荷转移变化。

“在我们的研究中，Janus TMD材料两侧的两种原子是硫和硒，”宾夕法尼亚州立大学电气工程和生物医学工程助理教授黄胜熙(音)说。“因为它们是不同的，所以顶部和底部可能会有电荷分离或电荷不平衡。它创造了一个垂直方向的内在电场，这与传统的2D材料非常不同。”

此前，研究人员致力于了解这种固有电场是否会影响相邻的二维材料，当它们分层时。他们发现，Janus 2D材料中的耦合比传统2D材料更强，这是由于两侧不同类型的原子引起的不对称电荷。

这一次，他们手动堆叠了两种类型的材料层，Janus TMD和常规2D材料，这导致了随机角度，取决于它们的堆叠方式。但当他们调整每一层的堆叠角度到特定程度时，他们有了一个有趣的发现。如果三角形材料被扭曲成零度角堆叠，当它们完全对齐时，或者以60度角堆叠，当它们完全对齐时，他们发现耦合比随机角度牢固得多。此外，他们还发现，当Janus TMD与具有相同类型元素的常规TMD分层时，层间耦合更强。

黄说:“主要的发现是，对于同样的硫/硫界面，层间耦合比硫/硒界面强得多。”“这是因为这些原子中的电荷分布与偶极子方向有关。这意味着两层之间可以进行有效的电荷转移。根据我们的计算，分离，即夹层之间的距离，要小得多，所以这表明有更强的耦合。”

为了进行观测，研究小组使用了低频拉曼光谱和光致发光光谱。

黄教授说:“这些新材料的能力可以影响很多应用，从光电子学到电子设备，再到电池等电化学设备的催化能力。”“这些设备在我们的日常生活中无处不在，比如照明、电子产品、电器和电池。”

“我们研究领域以外的人也能从我们的研究中受益，”宾夕法尼亚州立大学电气工程博士研究生张昆燕(Kunyan Zhang)说。“以前没有研究过使用带有扭转角的接口来调节这种内部耦合。这些发现可能会对那些不涉及Janus tmd的2D领域的其他人产生影响。”