基于石墨烯/聚二甲基硅氧烷软驱动器的近红外光驱动逻辑加法器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Near-infrared light-driven logic adders based on a graphene/polydimethylsiloxane soft actuator

光致逻辑开关设计及其在复杂光逻辑电路中的应用。基于石墨烯/PDMS复合材料的可逆光热驱动开关，在近红外光（980nm）下实现快速变形与稳定循环特性，成功构建AND/OR/NOT/NAND/NOR/XOR/XNOR七种基础光逻辑门，并进一步集成形成1位全加器，验证了光驱动软材料在光逻辑处理中的可行性。

　　

王创|牛全旺|边启航|卜彦彦|陈冰|王向福

南京邮电大学电子光学工程学院与柔性电子学院（未来技术），中国南京，210023

摘要

光驱动逻辑开关通过机械变形将光信号转换为逻辑运算，代表了非常规计算领域的一个新兴研究方向。本文介绍了一种基于石墨烯/聚二甲基硅氧烷（graphene/PDMS）的光驱动逻辑系统，该系统能够执行复杂的光学逻辑运算。根据石墨烯/PDMS复合材料的光热和机械响应特性，设计了一种光响应型软开关。这种开关在980纳米（NIR）近红外光下能够实现可逆变形，并在数千次循环后仍保持稳定运行。进一步将这种开关集成到七个基本的光控逻辑门（AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR、XNOR）中，这些逻辑门在低功率NIR照明下可以正常工作。随后，这些逻辑门被组装成一个1位全加器，证明了使用光驱动材料构建更复杂逻辑电路的可行性。

引言

传统的逻辑开关主要基于半导体技术，在需要机械灵活性、环境鲁棒性或非传统外形因素的场合可能会遇到限制[1]、[2]。这些限制促使人们探索替代的逻辑切换机制，包括由光[3]、[4]、[5]、[6]、机械力[9]、[10]和化学反应[11]等刺激因素驱动的机制。其中，光驱动逻辑开关是一个有前景的研究方向。光可以对波长、强度和相位等参数进行精确控制，同时支持远程和非接触式操作。这些特性为设计新型功能器件提供了巨大的自由度和创新空间。这一优势在高灵敏度光纤传感领域已经得到体现。例如，李等人使用掺铒光纤激光环形腔作为窄带光源，实现了对生物标志物脱γ-羧基凝血酶原（DCP）的超低检测限[12]；刘等人基于局域表面等离子体共振（LSPR）效应设计了WaveFlex光纤生物传感器，通过监测光谱峰位移实现了对黄曲霉素B1的高灵敏度检测[13]。这些研究表明，光的可控参数在优化器件性能和扩展功能方面具有独特优势。

同样，光的可调特性在光驱动逻辑器件中也得到了广泛应用。例如，曾等人通过调节光源的波长和功率，在HgTe量子点/PBDB-T:Y6双极光电探测器中实现了五种基本的光电逻辑门（“AND”、“OR”、“NAND”、“NOT”和“NOR”[4]；李等人基于液态金属/聚酰亚胺设计了光热执行器，可以通过NIR激光实现远程电路控制[14]；刘等人使用基于MXene的光驱动器构建了具有多模响应的光控开关系统，通过调节光强度不仅可以开启或关闭信号灯，还可以控制其闪烁模式[15]。然而，目前大多数光驱动逻辑开关的功能仍然较为基础且有限，无法满足复杂信息处理的需求[16]。更高阶的计算任务（如算术运算）需要集成多个光驱动逻辑单元来提升计算能力。与传统电子逻辑相比，这种方法具有明显优势：光既作为能源又作为信息载体，逻辑运算本身可以由同一束光进行驱动和控制，从而简化了复杂电路的需求。

在光驱动逻辑开关的材料选择方面，石墨烯是一个非常有前景的候选材料。石墨烯具有高效的光热转换和宽带光吸收特性[17]、[18]、[19]、[20]、[21]，这些特性使其能够快速膨胀或收缩，有效驱动执行器。例如，翁等人使用聚吡咯@石墨烯-细菌纤维素薄膜制备了双层执行器，利用石墨烯优异的光热转换效应在层间产生不对称热膨胀，从而改变软机器人的表情和动作[22]；王等人报道了一种基于氧化石墨烯/液晶网络的执行器，该设计同样利用石墨烯作为光热剂，在NIR光下产生不对称变形，实现了光驱动的自维持振荡器[23]。这类关于基于石墨烯的光驱动执行器的研究为设计新型光驱动逻辑开关奠定了基础。

本文报道了一种基于石墨烯/PDMS的光驱动软开关，作为各种逻辑门的功能单元。通过使用图案化光掩模策略对逻辑输入进行编码，实现了空间分辨的变形响应，从而实现了逻辑计算。本文的创新之处在于将这些基本逻辑单元集成到更复杂的逻辑系统中，超越了大多数光驱动设备简单的开关功能。为了验证这一点，进一步将系统扩展为1位全加器，证明了光驱动软材料在光学逻辑处理中的潜力。

材料与器件制备

制备石墨烯/PDMS复合材料需要以下材料：PDMS基底和固化剂（Dow Corning Corporation，美国米德兰）、多层石墨烯（深圳市瑞恒科技有限公司）以及正己烷（上海阿拉丁生化科技有限公司）。按照以下工艺制备了均匀分散的石墨烯/PDMS复合材料：首先，将1克PDMS基底与预定质量的石墨烯粉末混合。

驱动性能

石墨烯/PDMS双层执行器的驱动原理基于光热效应及其两层之间的热膨胀系数（CTE）差异[24]、[25]。石墨烯/PDMS复合层作为“活性层”，主要负责高效吸收特定波长的光能（包括紫外线、可见光和近红外光），并迅速将其转化为热能，从而导致自身温度显著升高。

结论

总之，本研究开发了一种具有优异光热响应的柔性石墨烯/PDMS光驱动执行器。在1.059 W/cm2的NIR光强度下，该执行器在5秒内实现了13毫米的水平位移，并在7秒内恢复到初始状态。基于该执行器的光驱动开关表现出快速响应、高可逆性和出色的长期稳定性。该开关在5秒内关闭了3毫米的电路间隙，并在超过2500次循环后仍能保持完全功能。

作者贡献声明

边启航：软件开发。牛全旺：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据管理。王创：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据管理。陈冰：资源获取、方法论设计、资金筹集。卜彦彦：方法论设计、数据分析。王向福：资源获取、项目管理、方法论设计、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号62575145、62205155）、江苏省高等学校自然科学基金（项目编号23KJA510005）以及南京邮电大学人才引进自然科学研究启动基金（项目编号NY222104）的支持。

王创于2022年获得南京理工大学紫金学院的学士学位。自2022年起，他在王向福的团队攻读硕士学位，目前的研究方向是光电器件。