前沿動態

前沿動態

新型二維激光為下一代光子器件鋪平道路

美國伯克利實驗室的研究人員聲稱已獲得了一種可用于在未來開發超緊湊型設備的新型二維激光。據稱，此項發明已為新一代超緊湊型光子與光電子器件鋪平了道路。

研究人員通過使用二硫化鎢單分子層和一個諧振器創造出二維激光，即一種在可見光波長范圍的激子激光，并把單分子層固定在特殊的諧振器上。該研究成果已被發表在近期《自然光子學》期刊中。

在納米技術世界里，二維過渡金屬二硫屬化物（TMDCs）被認為是一種能為電子的傳遞提供高效率的半導體，而且速度比硅更快。天然帶隙的存在使得TMDCs的電導能被打開或關閉。因此，TMDCs被認為是在器件制造方面比石墨烯更好的材料。

二硫化鎢則被認為最有前途的一種TMDCs。在被用于激光器以前，單分子層中的二硫化鎢從來沒有被使用過。伯克利實驗室的研究人員表示，他們為等離子體和電磁波創造出一種在金屬表面回轉的回音壁微腔。通過采用這種技術，團隊實現激光發射目標。

現在，研究人員希望他們的研究成果在未來能發揮作用。他們表示，新的二維激光技術可用于數字信息編碼中。

南京大學成功研制等離子體偏光器

南京大學研發團隊研制成一種等離子體偏光器，這種偏光器能利用一束入射光生成多束具有各種偏振狀態的光。通常，基于等離子體的偏光裝置比傳統的偏振控制裝置薄，但功能不如傳統的偏光裝置強。目前，南京大學的祝世寧院士及其同事已制造出了一種能以可控方式產生、輸出多束不同偏振狀態光的等離子體裝置。該裝置基于表面等離子體平面場干涉，在金屬表面形成近場偏振狀態。這些科學家們通過利用此裝置把一束入射光變成了8束具有不同偏振狀態（2束線形，2束圓形，4束橢圓形）的光，證明了這種裝置的有效性。此方法為實現光偏振的完全控制提供了新途徑。相關的研究成果發期刊《Light：Science＆Applications》雜志上（Light：Science＆Applications，2015，4，e330；doi：10.1038/lsa.2015.103）。

在超材料中發現手性表面波

英國伯明翰大學Shuang Zhang教授及在中、英、美三國的研究人員在雙軸雙曲線超材料和電介質的界面觀察到了一種新型的手性表面波。這種表面波會因電介質的折射率不同顯示出凸面、凹面或者平面的波前。對于特定折射率的電介質，其色散曲線幾乎是平坦的，這增加了產生自導引表面波的可能。重要的是，這種表面波多數是橢圓偏振的，旋轉方向和傳播方向有關，這使得表面波的自旋控制激發成為可能，并可以應用在集成光路上并改進其功能。這項發現在經典或量子光學信號通信和處理中都有潛在的應用前景。相關的研究成果發期刊《Light：Science＆Applications》雜志上（Light：Science＆Applications，2015，4，e328；doi：10.1038/lsa.2015.101）。

局域模超亞波長成像

一種可實現局域光子模的超亞波長相敏成像的純光學方法現已開發出來。這種方法把掃描近場光學顯微鏡學與共振散射光譜學相結合，以監測光子晶體納米腔內法諾（Fano）共振譜線形狀的空間變化。Niccolò Caselli與在意大利、美國、英國和荷蘭的同事利用這種方法，實現了光學局域態密度（LDOS）的λ/19空間分辨率（其中λ為波長）。這種方法可應用于由任何一種材料組成的諧振器和格外寬的光譜范圍，而且還免去了由探針誘導微擾帶來的麻煩。這個演示過程為研究各種納米光子/納米等離子體諧振器內部局域模的電氣LDOS及相分布提供了新方法。相關的研究成果發期刊《Light：Science＆Applications》雜志上（Light：Science＆Applications，2015，4，e326；doi：10.1038/lsa.2015.99）。

超大尺寸單晶鈣鈦礦晶體制備成功

近日，由中科院大連化物所劉生忠研究員帶領的團隊與陜西師范大學合作，利用升溫析晶法，首次制備出超大尺寸單晶鈣鈦礦CH3NH3PbI3晶體，尺寸達到71 mm。這是世界上首次報道尺寸超過12.7 mm的鈣鈦礦單晶。相關成果在線發表于《先進材料》期刊上。

近年來的研究發現，具有鈣鈦礦晶體結構的甲氨基鹵化鉛材料CH3NH3PbX3（X＝Cl，Br，I），在光伏材料、激光材料和發光材料等方面展現出極大的應用價值，成為國際上材料研究的熱點之一。

劉生忠團隊發展了大尺寸鈣鈦礦單晶生長方法，并成功制備出超大尺寸單晶鈣鈦礦CH3NH3PbI3晶體，尺寸達到71 mm。通過室溫下的高分辨X—射線衍射、光學測試，發現CH3NH3PbX3（X＝Cl，Br，I）鈣鈦礦晶體材料具有很高的結晶質量和更好的光吸收范圍（相較于薄膜樣品），并首次發現它在402 nm處的發光峰。此外，它比薄膜材料具有更高的熱穩定性。

《先進材料》的一位主編高度評價這項工作：該論文首次報道了尺寸大于12.7 mm的鈣鈦礦單晶。鈣鈦礦單晶顯示了更好的熱穩定性、更寬的光吸收范圍、較低的空穴濃度以及較高的載流子遷移率。可以預期采用單晶制作的鈣鈦礦太陽能電池可以獲得更好的光電轉換效率；同時由于晶體的完整性和較少的缺陷，單晶器件也具有更佳的穩定性。這位主編說，由于單晶材料是現代半導體工業、電子工業和光電工業的基礎，具有優良性能的鈣鈦礦單晶材料有可能實現對多晶鈣鈦礦基器件的革新，推動光電器件的新一輪革命。

光刺激替代電刺激非侵入式心臟起搏器或將問世

光刺激替代電刺激非侵入式心臟起搏器或將問世。不用植入任何裝置，只需用激光照射就能控制心臟跳動的節奏。這不是什么魔法，美國科學家在果蠅身上讓它成為了現實。

所有的心臟起搏器都基于這樣一個事實，每一次心跳都是由經過心肌細胞的電脈沖引起的，心臟的收縮讓血液在機體內保持循環。植入式心臟起搏器用電極向心臟組織提供一個穩定的脈沖，讓有問題的心臟保持規律的跳動。

在一項實驗中，科學家用藍色激光照射一只經過麻醉的果蠅，能讓其心率與激光脈沖的節奏保持一致，以每秒10次的速率跳動。研究人員發現，該技術不但能放慢或加快果蠅的心率，還完全適用于包括幼蟲、蛹和成蟲在內的果蠅生命周期中的所有形態。隨后進行的安全檢測則證實，該技術不會傷害果蠅，也不會對其心臟發育帶來任何可觀察到的不利影響。研究人員稱，這種以光為基礎的非侵入性技術，未來或能成就新一代心臟起搏器。相關論文發表在數字化開放獲取雜志《科學進展》上。

該項研究以黑腹果蠅為研究對象，因為在心臟早期發育階段，它們與脊椎動物存在很多相似之處。研究人員首先從藻類中提取出一種光敏蛋白基因，培育出含有這種蛋白的果蠅，而后通過激光從外部照射的方式，激活含有光敏蛋白的心臟細胞。這種光敏蛋白被命名為channelrhodopsin-2，一旦其接觸到藍色激光，就會引起心臟收縮。

負責此項研究的美國利哈伊大學生物工程學助理教授周超（音譯）指出，與傳統心臟起搏器相比，光刺激有著無法比擬的優勢：這種非侵入式技術只會觸發目標細胞，而電動起搏器則須通過外科手術植入，電脈沖不僅會作用于心臟細胞，也會影響其他組織。

動起搏器則須通過外科手術植入，電脈沖不僅會作用于心臟細胞，也會影響其他組織。

研究人員稱，由于人類和果蠅有80%的同源基因，以果蠅為基礎的研究將對今后針對人類的研究帶來便利。未來借助這種技術或能開發出新一代以激光為基礎的心臟起搏器或其他肌肉刺激裝置。當然在此之前，還有很長的一段路要走。

麻醉的果蠅一動不動的躺在顯微鏡載片上，科學家對著它的腹部發射了藍色激光。激光沒有傷害果蠅，激光脈沖以每秒10次的節奏發射，而果蠅的心臟也以每秒10次的速度精確同步。研究人員在《Science Advances》期刊上報告了他們發明的光學起搏器。

傳統的起搏器是基于心臟是一個發電器官這一事實，電脈動流過心肌細胞，觸發了心跳，心臟的收縮將血輸送到各處器官。植入式的電子起搏器使用電極向心臟組織穩定傳輸電脈沖，幫助有問題的心臟維持固定的節奏。

光學起搏器利用的是光遺傳學（Optogenetics）技術，使用激光脈沖觸發心肌細胞收縮。領導這項研究的是Lehigh大學的助理教授Chao Zhou。他表示將這項技術運用于人類還有很多挑戰需要解決。

超快激光開啟儲存新紀元

當今，DVD和藍光盤使用納秒脈沖激光在不同原子狀態—各種晶體和非晶體結構下的相變材料（PCM）上刻錄信息。為了更加全面地理解這些狀態變化時標，并提升數據刻錄的速度限制，加州理工學院的研究者們采用了超快電子晶體（UCE：Ultrafast Electron Crystallography）技術來直接監測PCM的瞬態原子構型。

當今，納秒激光在納秒級時間內把相變材料從有序的晶體轉變為非晶態（從數字數據“0”變為“1”）。然而，在飛秒時間度運行的超快激光則可以探索PCM轉變是受激光速度限制還是受根本相變材料物理性質限制。

本次UCE實驗中，晶體碲化鍺（GeTe）—典型相變材料的納米薄膜—被飛秒激光脈沖照射，緊接著又被電子超短脈沖照射。因為激光使晶體結構轉為非晶態，電子束被散射為電子衍射圖樣，從而顯示原子結構“圖”。通過監控衍射圖案作為初始激光脈沖和探測電子脈沖之間的延遲時間功能，有可能探測物質原子標度行為的演化，在空間和時間維度提供一個高空間和時間分辨率的4D形象。

就GeTe而言，晶體菱形結構并不立即轉變到非晶態；菱形結構過渡到中間立方結構需要12 ps。在更長的時間尺度上—幾百皮秒—納米薄膜加熱達到平衡，方可實現非晶態，只要系統處于高能量激發狀態并快速淬火。

超快電子結晶技術一般用于探索相變材料在從晶體向非晶體轉變過程中的狀態。飛秒激光脈沖和超短電子脈沖用于以4D（空間和時間）形式恢復GeTe納米薄膜的動力。中間立方結構是第一次在試驗中被觀察到，可以為確定這些材料性能限度起重要作用。

中間立方階段的存在是首次在加州理工學院實驗被觀測到，并只能通過使用UCE方法的高原子靈敏度實現觀測。這些結果同樣可以為PCM提供更清晰的概貌。因為數據刻錄依靠兩種清晰定義的原子階段，另外中間結構（最終非晶態的前兆）限制了晶體至非晶態過渡時間，并相應限制了數據刻錄的潛在速度，不管激光速度有多快。

“僅僅由于這些相干材料的物理性質，即使采用比飛秒還快的激光，晶體向非晶態轉變的速度和數據存儲的時間都會受到限制”，加州理工學院博士后兼本次研究的作者Giovanni Vanacore表示。“這不是一個可以從技術上解決的問題——而是根本上無法改變的”，加州理工學院博士后兼本次研究第一作者Jianbo Hu說。

光致變色材料研究取得新進展

光致變色物質具有顏色和多種物理性質可逆變化的特征，其中磁性隨光刺激發生變化（即所謂光磁效應）的化合物除具有一般光致變色物質的強光防護、光開關等功能外，還可能在磁共振成像、光信息存儲等方面發揮重要作用。多氰基配位化合物被認為是最有發展前景的此類材料，多年來備受關注，但是，其光磁效應通常在液氮溫度以下發生，而罕見于室溫附近。因此，發展具有室溫光磁效應的光致變色多氰基配位化合物具有重要的科學意義。

中科院福建物構所結構化學國家重點實驗室郭國聰研究員率領的研究團隊長期從事無機-有機雜化功能物質的結構化學研究。2003年，他們報道了［Nd III（DMF）4（H2O）3（μ-CN）FeIII（CN）5］·H2O（Nd-FeDMF）的合成和晶體結構。之后，日本和意大利兩個研究小組發現，該化合物及類似的其它3d-4f多氰基配位化合物具有新穎的光磁效應，但光磁轉變溫度低于50 K，且其內在機制尚存在爭議。近期，郭國聰和王明盛研究團隊在國家自然科學基金、福建省自然科學基金等資助下發現，［EuIII（18-冠-6）（H2O）3］FeIII（CN）6·2H2O在室溫時經紫外光或紫光照射后，冠醚氧上的孤對電子轉移到了到三價鐵上，生成了穩定的冠醚自由基和二價鐵，晶體顏色由黃綠色變為橙色，變色后的樣品在暗室中靜置或加熱又能褪色，之后又能再次光照顯色，表現出典型的光致變色現象。變色前后，化合物的磁性發生了顯著的變化。在本工作中，晶體粉末經波長為355 nm、功率密度為60 mW/cm2的二極管泵浦固體激光器照射10 min后，室溫時的MT值下降33.5%，比NdFeDMF的報道值（＜3%）大得多。

該項工作首次發現了3d-4f多氰基配位化合物的光致變色現象和室溫光磁效應，不僅從已知化合物中成功地挖掘出一類光致變色材料，而且發展出一類具有室溫光磁效應的光誘導價態互變（valence tautomeric）化合物，近期以通訊形式發表在J.Am.Chem.Soc.2015，137，10882-10885。

中紅外激光變頻材料研究取得進展

中紅外（波長2～8μm）激光變頻材料在化學、信息、生物、遠程通訊和光電對抗等領域具有非常重要的應用，但目前已發現的材料還難以滿足工業和商業的需求。通過高通量研究平臺，可以極大的提高這些光電功能材料的研發效率和降低研發成本，獲得具有自主知識產權的優秀材料。為了實現從單一目標的計算材料學向“材料基因工程”的轉變，林哲帥課題組從原子結構和化學組分出發，對亟待發展的中紅外激光變頻材料進行大規模計算模擬，進而深入理解其結構、組分和性能之間的“構效關系”，他們基于系統的第一性原理計算研究首次提出目前還沒有引起關注的金屬硫磷（P-S）化物將是一個具有潛在優異性能的中紅外非線性光學體系。

優質的中紅外激光變頻材料，需要達到激光變頻效應（倍頻系數dij）和抗激光損傷閾值（對應帶隙Eg）的平衡，即位于如圖的綠色區域（Eg＞3.5 eV，dij＞20×KDP）。迄今為止，大部分已發現的材料都無法達到此要求。課題組研究人員首次系統地搜索了所有具有無心結構的M-N-P-S型金屬-硫磷化物（M為堿金屬堿土金屬陽離子；N為中心配位陽離子），他們按照材料的微觀基團配位環境將此化合物體系分成四類，分別包含孤立的P-S基團、二階姜泰勒效應的陽離子、孤對電子效應的陽離子、以及短半徑低配位的陽離子等。經過對這些“材料基因”信息的預測和分析，他們揭示具有孤立硫磷基團的體系的光學各項異性不能滿足中紅外變頻的要求；而具有二階姜泰勒效應和孤對電子效應的體系帶隙較低（Eg＜3 eV），也難以實現Eg和dij的平衡。與之對比，具有短半徑低配位陽離子的體系，可以呈現Eg和dij很好的平衡（位于圖中的綠色區域），能夠較好地滿足優秀中紅外非線性光學晶體的性能條件。

與姚吉勇研究員合作進行的實驗合成和光學測試也證實了第一性原理預測和計算的結果。

激光激發“智能納米載藥”實現癌癥可視化精準治療

近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員蔡林濤領銜的納米醫學研究小組，在“智能納米載藥”可視化精準治療癌癥方面取得新突破。相關成果在線發表在Nature出版集團刊物Scientific Reports上（Scientific Reports，2015，DOI：10.1038/srep14258）。

蔡林濤團隊提出聯合多種藥物、以不同機制進行聯合治療的“納米雞尾酒療法”，確立了癌癥高效治療和多學科綜合治療的新思路。在“智能納米載藥”可視化精準治療癌癥的研究工作中，蔡林濤團隊成員趙鵬飛、鄭明彬采用溫度敏感的磷脂共包載化療藥物阿霉素和光敏劑吲哚菁綠，構建了腫瘤可視化精準聯合治療的溫敏智能納米載藥體系。該體系顯著提高了藥物的穩定性和腫瘤部位的富集，避免了藥物在體內的快速代謝。近紅外熒光能夠實時監控阿霉素和吲哚菁綠在腫瘤部位的富集與代謝，在熒光圖像的引導下，近紅外激光激發，局部溫度升高“開啟”溫敏納米體系，精確控制化療藥物的釋放和腫瘤部位的局部溫度，通過精準化學-光熱聯合治療手段根治腫瘤，實現了癌癥可視化精準治療。

蔡林濤表示，精準醫療是癌癥臨床治療的必然趨勢，智能納米載藥通過近紅外激光定點、定時、定量的控制腫瘤部位的藥物濃度和局部溫度，本質上是一種精確的個性化醫療，能夠精準給藥并提高癌癥治療效果。

中國科大首次實現確定性單光子的多模式固態量子存儲

中國科學技術大學教授、中國科學院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在量子中繼、量子網絡的研究中取得新進展：該實驗室李傳鋒研究組成功實現了量子點發射的確定性單光子的多模式固態量子存儲。該成果在國際上首次實現量子點與固態量子存儲器兩種不同固態系統之間的對接，并且實現了100個時間模式的多模式量子存儲，模式數創造世界最高水平，為量子中繼和全固態量子網絡的實現打下堅實的基礎。研究成果發表在近期的《自然·通訊》上。

糾纏分發是構建量子網絡的核心技術。由于信道中不可避免的傳輸損耗，目前在信道中直接進行糾纏分發只能達到百公里量級，要想實現長程的糾纏分發則需要基于單光子量子存儲和兩光子Bell基測量的量子中繼技術。目前已經實驗驗證的量子存儲或量子中繼方案都是基于概率性光源（光子產生幾率一般低于1%且存在多光子項）的存儲，這類方案的長程糾纏分發時間預計將在分鐘量級以上。

李傳鋒研究組利用自組織量子點產生確定性單光子源（原則上光子產生幾率100%且每次有且僅有單個光子），然后通過光纖傳輸到5 m外的另一張光學平臺上的固態量子存儲器中。他們一方面利用局部光學加熱方法調節單光子的波長與固態量子存儲器的操作波長相匹配，另一方面利用光學頻率梳技術把單光子存儲到研究組自主研發的“三明治”型固態量子存儲器中，并測得單光子偏振態的存儲保真度為91.3%。研究組進一步實驗實現確定性單光子的100個時間模式的多模式量子存儲，模式數創造了世界最高水平。

該項成果實驗演示了加速糾纏分發的兩個最重要的要素，即確定性量子光源和多模式量子存儲。前者可以指數加速糾纏分發，后者則可以線性加速，兩者結合在一起預計可以使長程糾纏分發的時間縮短到毫秒量級。該成果還首次實現了兩個固態量子節點，即量子點和固態量子存儲器的對接，向實現全固態量子網絡邁出了重要的一步。

等彩色光子紙研究取得新進展

近日，《傳感器與執行機構，B輯：化學傳感器》（Sensors And Actuators B-Chemical）發表了中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微納中心最新彩色電子紙研究成果。

眾所周知，目前市面上普遍存在的電子書（E-paper）由于技術限制只能顯示出黑白色，雖有關于彩色電子顯示的報道偶見報端，但由于技術難度大，設計成本高等因素，導致產品遠未廣泛普及。由微納中心杜學敏與香港城市大學、香港中文大學合作研發的以光子墨水來顯示的彩色電子紙有望解決E-paper彩色顯示的技術難題。

光子墨水的技術原理為通過調節組成光子晶體顆粒單元的間距，從而獲得不同反射波長，由此肉眼可以看見不同的顏色。由于是以單個光子晶體顆粒作為像素單元，故此不僅可以控制單個光子晶體顆粒的顏色顯示，而且可以顯示出可見光波段的任何一種顏色，顏色豐富且鮮明。

在光子墨水中，光子晶體顆粒是由一個個表面包裹有水凝膠層的納米顆粒組裝而成，體系中還會加入可以發生氧化還原反應的金屬離子，通過靜電作用吸附在水凝膠網絡內。將光子墨水填充在兩片ITO電極中間，只需要施加較小的電壓（≤3 V），即可以控制金屬離子的形態，以此改變水凝膠層內部的滲透壓，從而可以調控水凝膠層的收縮與膨脹，由此改變光子晶體的間距，以實現顏色的調控。

該項技術有望廣泛應用到E-paper的彩色顯示中，解決目前存在的相關技術問題。同時該項技術還可以用于水溶液中貴金屬的檢測，有望應用于食品安全、水質評估等方面。

快速制造適形化柔性功能電子器件的液態金屬相變轉印方法

近日，由中國科學院理化技術研究所研究員劉靜及助理研究員王倩帶領的理化所、清華大學聯合小組，首次提出一種液態金屬液固相變轉印方法，可用于快速制造易于貼合到任意復雜形狀表面的柔性功能電子器件。相應研究成果在線發表于《先進材料》（Advanced Materials，2015，DOI：10.1002/adma.201502200），并被選為背封面文章。

眾所周知，隨著現代電子工業與消費電子市場的快速發展，柔性電子已成為極為重要的科學前沿。其中，集導電性與流動性于一體的液態金屬材料在這一領域的地位日趨凸顯。然而，由于液態金屬表面張力通常較高，其對常見的生物相容性柔性基底如PDMS等的潤濕性較弱，因而采用傳統的直寫、打印以及掩模噴印、涂抹等方式尚難實現精細、復雜且附著穩定的電路；而若采用模板刻蝕槽道，則會因模板分離時槽道承載力的變化，造成柔性基底收縮變形繼而引發精細結構的破損。由于這些因素，直接利用液態金屬制備各種高柔性電路仍面臨繁瑣、耗時、穩定性低等挑戰，尚不易快速獲得實用化柔性功能器件。

為突破以往存在的技術瓶頸，該項研究建立了基于低溫相變轉印的液態金屬柔性功能電路快速制造方法。其原理在于：首先利用液態金屬打印機在PVC膜表面打印出液態金屬電路；之后，在此電路上進一步覆蓋PDMS溶液并加以固化；如需要，在PDMS尚處液態時，可在其上浸沒入任意形狀的待貼附目標物體；最后，對整個對象加以降溫，以使液態金屬轉為固體，由此即可輕易地將最初的液態金屬電路完整快捷地轉印到PDMS柔性基底上。這一過程中，當PDMS固化后，揭下PVC膜及目標物體后，即形成內嵌有液態金屬柔性電路的PDMS器件，此時在相應管腳貼上相應IC元件并加以編程調試，即制成功能電子器件。由于PDMS基底形狀可完全與使用對象貼合，由此即達到電子器件的高度適形化制造。該技術在醫療健康、家居、環境等應用場合的傳感監測方面有重要意義，相應器件易于貼合到諸如膝蓋、腳腕、手掌、面頰、頭部、耳廓以及更多復雜形狀表面執行特定功能。研究還通過對“PVC-液態金屬-PDMS”界面微觀結構的刻畫、受力測試與仿真驗證，揭示了相應的轉印分離機理。

為展示新技術的應用特點，作者們還特別設計實現了幾類完整的可編程柔性電路，并證實其在彎曲、扭轉、拉伸等往復形變下均能保持高性能和可靠性。進一步地，結合手機生理檢測平臺與集成電路芯片，設計實現了微型柔性紅外溫度采集模塊，可通過藍牙將采集到的信號以無線方式發送至手機予以實時顯示和存儲，而同時這些器件則可以適形化方式貼合于身體表面。

相較于傳統的硬質電路，柔性電子具有重量輕、韌性好以及可承受一定形變等優勢，這使其應用范圍更為寬廣。基于相變轉印原理的液態金屬柔性電路加工方法突破了傳統工藝的局限性，更加簡便、快捷、穩定，并與現有集成電路技術較為兼容。除了能以高質量快速加工出用以滿足可穿戴設備、皮膚電子、醫學植入、柔性顯示、太陽能電池板等諸多前沿需求外，新方法的重要意義還在于，隨著液態金屬打印技術的普及，人們將有望隨心所欲地在任意物體表面實現各類柔性功能器件的定制化快速開發，這會顯著擴展傳統電子工程學的技術范疇，繼而推動個性化柔性電子應用向前快速發展。

有機打印光子學集成回路

光子回路具有傳輸速度快、響應延遲短、并行運算能力強等優勢，能夠在信息處理方面有效地彌補現今集成電路的不足和局限。近年來，由于其多樣的光物理和光化學過程，有機光子學材料越來越受到人們的重視。中國科學院化學研究所光化學院重點實驗室的研究人員長期致力于有機納米光子學材料與器件方面的研究，在有機微納諧振腔自下而上的可控組裝以及具有特定光子學功能的器件設計等方面開展了系統的研究工作。

盡管有機材料展現出獨特的光子學行為，然而目前為止仍然缺乏一種可靠、普適的技術，使得人們可以像利用光刻技術加工硅基材料那樣，高精度地得到大面積的光學結構。這是有機光子學材料走向集成化過程中面臨的一個關鍵瓶頸問題。最近，化學所光化學實驗室與有機固體實驗室與中國科學技術大學的科研人員合作，首次提出并實現了有機“打印光子學”功能器件和集成回路，成功地借鑒并運用了柔性打印電路的技術經驗，向有機納米光子學實用化集成邁出了關鍵一步。

研究人員利用溶劑液滴的表面張力和溶劑-基底界面的咖啡環效應，在利用打印液滴刻蝕聚合物薄膜形成陣列的同時，以液體邊緣為模板形成了完美的回音壁模式諧振腔結構。所得到的微環結構可以有效地將光束縛在其中形成光學諧振，其微腔品質因數高達4×105，可以與現有的硅光子學工藝得到的同類型器件相媲美。更重要的是，有機材料的可加工性、柔韌性、響應性為打印光子學器件帶來更多的機遇。例如，微腔中可以摻雜染料分子，用來實現高光學增益的微型激光器；利用有機分子材料對于外界刺激的響應，可以實現光子學行為的遠程控制。高品質微腔極大地降低了激光閾值以及光譜線寬，從而提高了器件的整體性能。在同一片基底上，可以設計并打印出尺寸可調的不同光學結構的組合，從而進一步實現光學濾波和慢光存儲等關鍵功能，為微納光子學集成提供了更豐富的手段和更大的發展空間。相關研究成果發表在Science的新子刊《科學進展》上（Organic printed photonics：from microring lasers to integrated circuits，Science Advances 2015，1，e1500257）。

三維納米結構加工與應用研究取得新進展

三維納米結構既可具有納米材料與結構所賦予的量子效應、尺寸效應與表面效應等新奇物性，又可通過三維幾何結構實現電聲子輸運與耦合、自旋極化、激子行為、波陣面調控等物性的協同調制，獲得平面器件不具有的功能。目前，三維納米結構的可控加工方法明顯不足，阻礙了三維納米器件的發展，并制約著高端納米產業化技術的形成。為獲得性能優異的三維納米結構與器件，國內外展開了多種三維納米加工技術研究，主要包括自組裝生長、納米印刷、飛秒激光加工以及載能粒子束加工技術等，但如何實現三維空間的可控加工和三維納米結構的功能化，仍是具有極大挑戰性的課題。

近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態國家實驗室（籌）微加工實驗室的工程師劉哲、副主任工程師李無瑕、主任工程師李俊杰和博士生崔阿娟及研究員顧長志等人系統地開展了基于聚焦離子束技術的三維納米結構與器件的可控加工技術研究，并取得了一系列的進展。他們發明了一種基于聚焦離子束的應變誘導三維納米結構加工新方法，即利用離子束輻照產生的注入效應以及由入射粒子能量轉換與傳遞產生的溫度效應，在納米材料中產生局域化表面再構、缺陷、晶體結構變化，實現了三維空間誘導的納米材料形變，以此構建三維功能納米結構與器件。這種基于聚焦離子束的應變加工方法可兼有高精度、多維度、跨尺度、可設計以及可控等特點。他們首先利用這一技術構筑了一維金屬W的自支撐納米間隙、納米接觸以及納米多肢體等多種三維納米結構，證實了這些結構可具有高達5.2K的超導臨界轉變溫度以及較好的機械性能與熱穩定性。之后，他們利用這一技術實現了自支撐鉑納米線沿徑向的組分與微結構的非均勻生長，并通過熱致應變規律的探索與量化處理，掌握了形變的可控手段，獲得了硅錐頂部的自支撐納米點接觸以及將ZnO雙層納米浴盆進行固定的微籠結構，顯示了該方法在三維納米電學、光學、磁學以及生物分子學等領域的應用潛力。

最近，他們與物理所光物理實驗室的副研究員李家方、研究員李志遠，英國索爾福德大學教授沈鐵漢以及同濟大學教授李宏強等合作，將聚焦離子束應變誘導三維納米結構的加工方法推廣到了二維薄膜材料體系，發展了一種基于離子束輻照的折疊應變加工方法，可將平面內的結構多次有序折疊，實現納米結構單元在空間、尺寸、周期與幾何形貌可調制的大面積可控加工。該方法可在金屬、介質以及復合納米薄膜上進行三維結構的構建。利用這一技術，他們設計并構建了一系列基于金納米薄膜的孔洞-垂直開口諧振環（MH-VSRR）三維等離激元微納結構。這些結構在紅外-近紅外波段具有明顯的異常法諾共振現象，并可用于高靈敏度的光折射率傳感，在近紅外波段的靈敏度高達2 040 nm/RIU，是目前該波段同類結構已報道的最高值。顯示了這種三維納米加工技術在制作高靈敏度的納米光學器件以及生物傳感的應用前景【Light：Science＆Applications， 2015，4，e308】。

近日，美國化學學會會刊（J.Am.Chem.Soc.2015，

10.1021/jacs.5b07920）發表了中國科學院理化所功能材料與激光技術院重點實驗室晶體中心林哲帥課題組的研究工作。