南科大李毅团队: 材料与形态角度开展的高效光声微纳天线设计与实施

研究背景

光致声表面波 (Surface Acoustic Wave) 是光与微纳天线相互作用下时能量转化为 GHz 级声子振动的过程。人们可以通过这一光声转换的过程实现光信号的处理，并由此来设计光收发机和传感器等。

• 一方面，金、银、铜等贵金属在可见光和红外波段具有优异的等离激元响应 (plasmonic effects)，学术界对于金属微纳天线的物理过程和形态设计日趋成熟（如图 1 所示）；

• 另一方面，非金属全介电天线近年来日渐受到重视，其单颗粒级别相关性质的研究和高效声表面波的定向发射仍存在空白。

▲	图1. 金属单颗粒光致声表面波的辐射示意图。

研究内容

近日，南方科技大学李毅副教授带领的团队与巴西戈亚斯联邦大学（Universidade Federal de Goiás）的 Rodrigo Berté 博士合作提出了将泵浦探测 (pump-probe) 光致声表面波的物理过程分解为吸收、散射和机械振动三个主要因子并合成作为该过程的综合评估标准 (figure of merit)。

对于三个因子分别设计了三种仿真验证，收集了 10 种常见的非金属材料和 2 种金属材料（作为对照）球型单颗粒的性能表现，得到在 400–800 nm 和 800–800 nm 泵浦探测情形下的性能数据（如图 2）。在此综合评估标准下，磷化镓单颗粒天线在 400–800 nm 泵浦探测情形下表现出优异的特性。

▲	图 2. 单颗粒光致声表面波的综合评估结果。

基于磷化镓单颗粒天线，本文进一步探究了光致声表面波微纳天线的形态设计。通过在圆饼天线上引入对称孔，调整孔的位置和间隔，实现了可以在 2 个频率（9.25GHz、15GHz）分别朝相反方向发射声表面波天线的设计方案（如图 3）。

▲	图3. 圆饼微纳天线设计，单一天线在两个频率上具有不同方向的发射特性。

为了验证表面声波发射的方向性，作者利用该天线设计了能够产生具有轨道角动量 (OAM) 的声表面波天线阵列（如图 4）。根据到中心的距离不同而产生相位差，这些特殊排布的天线在同步激发时于中心处合成了具有轨道角动量的声表面波。具有轨道角动量的声波，有望作为“声镊”对微粒起到束缚作用。

▲	图 4. 微纳天线阵列的轨道角动量声表面波发射。分别展示了天线的分布，声表面波幅值的分布和振动的动画。

总结展望

本文通过对单颗粒天线的光致声表面波过程建模，揭示了磷化镓可作为优质的非金属天线材料。此外，还通过引入孔结构，实现了可以朝相反方向发射的单一天线形态设计。最后，展示了将具有方向性发射声表面波的全介电天线应用于声表面波的轨道角动量生成。

本工作理论上验证了高效声表面波定向发射和复杂波前整合的可行性，为相关微纳结构的材料选择和形态设计提供了新思路，有助于研究人员从材料和形态的角度进行高效光声微纳天线的理性设计和实施。

工作成果以 “Launching Directional Hypersonic Surface Waves in Monolithic Gallium Phosphide Nanodisks: Two Holes Are Better Than One” (《磷化镓光致声表面波定向发射》) 为题，发表在英国皇家化学会期刊  Nanoscale 上。

论文信息

Launching Directional Hypersonic Surface Waves in Monolithic Gallium Phosphide Nanodisks: Two Holes Are Better Than One

Yongxian Yan, Tao Zhu, Qiancheng Zhao, Rodrigo Berté*, and Yi Li*（李毅，南方科技大学）

Nanoscale, 2023, 15, 3318-3325 
https://doi.org/10.1039/D2NR05729H

主要作者简介

李毅 副教授

南方科技大学

本文通讯作者，李毅副教授于 2019 年 10 月起加入南方科技大学，致力于集成电路兼容的光学电学器件（特别是单分子检测芯片）研究，已发表论文 50 余篇，成果被引用超过 2500 次，H 因子 25。目前主持和参与科技部重点研发项目青年项目各 1 项，主持国家自然科学基金面上项目 1 项、广东省自然科学基金重点项目 1 项等，课题组研究助理教授（博士后阶段）取得国家自然科学基金青年项目 1 项。

相关期刊

rsc.li/nanoscale

Nanoscale

2-年影响因子*	8.307分
5-年影响因子*	7.891分
最高 JCR 分区*	Q1 物理-应用
CiteScore 分†	13.4分
中位一审周期‡	35 天

Nanoscale 发表有关纳米科学和纳米技术的高质量研究报道，包括各种跨学科的实验研究和理论研究，涉及的研究主题有纳米结构和纳米材料的合成、功能纳米材料和生物组装体的表征、纳米材料的性质、自组装和分子组织、复杂的杂化纳米结构、纳米复合材料、纳米颗粒、纳米晶体、纳米团簇、纳米管、纳米线、纳米催化、纳米理论建模、纳米电子学和分子电子学、纳米光子学、纳米芯片、纳米传感器、纳米流体和纳米加工、碳基纳米材料和装置、纳米仿生材料、纳米生物技术／生物纳米材料、纳米医学、纳米技术的监管方法和风险评估等等，对物理、化学、生物学、医学、材料、能源／环境、信息技术、检测科学、医疗保健和药物研发、电子工程等领域的科研人员具有广泛的吸引力。该刊由英国皇家化学会同中国国家纳米科学中心共同出版。

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* 2021 Journal Citation Reports (Clarivate, 2022)
^† CiteScore 2021 by Elsevier

^‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件

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