综述：准一维纳米材料的光学操控及其应用

《Materials & Design》：Optical manipulation and applications of quasi-one-dimensional nanomaterials

　　

本综述系统地回顾了准一维（quasi-1D）纳米材料，特别是纳米线（nanowires），在主要光学镊子平台上的光学操控策略。研究人员对捕获稳定性、取向控制和工艺兼容性方面的关键局限性进行了批判性分析。研究人员系统地讨论了光学操控、材料组装和器件集成之间的联系。研究人员重点介绍了混合光学操控与原位（in situ）组装方法，用于功能性器件的制造和材料集成。

2. 基于光学镊子的准一维纳米材料操控

2.1. 光学镊子的工作原理

光学镊子利用高数值孔径（high-NA）物镜紧聚焦激光束产生的梯度力（gradient force）主导的光阱，实现对微纳物体的非接触式三维稳定捕获。当准一维纳米材料靠近焦点时，光子动量转移产生梯度力和散射力（scattering force）。为实现稳定三维捕获，梯度力需克服沿光束传播方向的散射力，将纳米材料约束在焦点附近形成三维势阱。通过移动激光焦点，可精确控制被捕获物体的位置。

2.2. 传统光学镊子

传统单光束光学镊子结构简单、捕获稳定，可用于稳定捕获、传输和组装半导体纳米线。例如，利用红外光镊可稳定捕获直径低至20 nm、长径比超过100的纳米线。通过结合偏振控制，可实现纳米线的取向对齐和受控旋转。此外，利用激光诱导的光热效应，可在金属种子处实现纳米线的局部“纳米焊接”（nanosoldering），构建异质结。然而，高斯光束（Gaussian beam）的强度分布不均匀，难以均匀覆盖高长径比纳米线的整个长度，导致捕获不稳定。为此，可通过引入柱面透镜等光束整形元件，将高斯光束转换为线状光阱，从而实现对纳米棒（nanorods）的位置和取向的精确控制。

2.3. 扫描光学镊子

扫描光学镊子通过在多个预定位置间高速重定向单个激光束，利用时间复用（time-division multiplexing）原理创建多个动态光阱，实现对多个目标的并行操控。声光偏转器（acousto-optic deflector, AOD）是实现高速光束偏转的核心器件，其响应时间可达亚微秒级，支持灵活编程的阱停留时间和轨迹规划。该平台可用于间接操控吸收性纳米管（如VO_x NTs）、结合显微光致发光（micro-photoluminescence）进行纳米线的原位表征，以及将纳米线精确组装到电极上以实现功能化纳米器件。研究表明，通过微球辅助的间接捕获策略，可以避免对金属纳米线的直接照射，减少热损伤并提高操控稳定性。

2.4. 全息光学镊子

全息光学镊子利用空间光调制器（spatial light modulator, SLM）对入射波前进行调制，生成多个独立且可动态重构的三维光势阱，或产生涡旋光束（vortex beam）、贝塞尔光束（Bessel beam）等结构光场。这提供了远超单光束系统的操控自由度。例如，基于贝塞尔光束的干涉光阱可实现银（Ag）纳米线的高精度三维操控和取向控制。通过调控光的偏振态，可以实现纳米线的对齐和旋转。全息光镊还可用于研究半导体纳米线的轴向捕获动力学、等离子体金（Au）纳米棒的旋转动力学，以及实现纳米线的可编程输运和自动对齐组装。通过综合调控功率、偏振和相位，可实现对准一维纳米材料的适应性多自由度操控。

2.5. 其他光学镊子

包括光纤光镊、等离子体光镊和光电镊。光纤光镊利用锥形光纤尖端的高度局域光场进行捕获，具有结构紧凑、易于集成等优点，可用于捕获和组装氧化锌（ZnO）纳米线链。等离子体光镊通过激发金属-介质界面的表面等离激元（surface plasmons），产生超越衍射极限（diffraction limit）的纳米尺度光阱，能以极低光强实现长距离捕获。光电镊则利用光诱导介电泳（light-induced dielectrophoresis）力，通过投影可重构的光图案来操控大量粒子，具有高通量、低光强的特点，可用于快速组装纳米线传感器和构建可重构的纳米马达。

2.6. 光学镊子辅助的准一维纳米材料器件集成

光学镊子不仅用于位置控制，还能实现准一维纳米材料向功能性纳米系统的确定性集成。例如，利用光镊捕获的铌酸钾（KNbO₃）纳米线可作为无电极的可调谐相干光源和扫描探针。全息光镊可用于构建复杂的三维纳米线架构，并通过光热或光化学驱动实现永久连接。此外，还可将纳米线组装到低熔点聚合物基底上，通过激光诱导熔化实现永久固定，从而构建微纳光子结构。