张俊喜等在表面等离激元共振腔模式方面取得新的突破,都是由纳米尺度(1纳米至1微米)的结构所具有的物理的

 综合新闻     |      2020-01-14 22:33

在自然界中,从1纳米到1微米这个仅仅一个微米大小的尺度空间里,蕴藏着一个极其丰富的色彩斑斓的神秘世界。说它神秘,并不言过。因为在尺度大于1个微米的空间里,就是我们常说的宏观世界,那里所发生的自然现象,理工科的学生在大学一年级的课程里就学得清清楚楚:在运动力学上,早已有牛顿的三大运动定律来描写;在热力学分子运动学上,早已有热力学三大定律和波尔兹曼分布来解释;在电磁学和电磁波传播方面,麦克斯韦方程已经做了完整的归纳。在尺度小于1个纳米的空间里,就是我们常说的微观世界,那里所发生物理过程,我们在大学二年级的课程里也学得滚瓜烂熟:那里发生的微观物理现象,遵从量子力学的薛定谔方程(Schrodinger Equation)。而偏偏在那1纳米至1个微米(或者亚微米)的尺寸里,通常说的介于微观与宏观之间的介观世界,那里所发生的物理的,化学的,生物的自然现象,一直没有被科学家广泛地直接探究过。

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所副研究员张俊喜与中国科学技术大学光学与光学工程系、英国Aston大学光子技术研究所、澳大利亚国立大学非线性物理中心等单位科研人员合作,在贵金属纳米结构表面等离激元研究中取得系列进展。

随着上个世纪80年代纳米技术在国际上的广泛兴起和快速发展,人类开始有能力来制作纳米尺度的结构,构建纳米尺度的介观世界,进而具备探究纳米结构和纳米系统的条件、工具和方法,自然界中这个神秘的纳米空间,才被我们逐渐地广泛认识:原来这个尺度里发生的(物理)现象,实际上是微观量子的和宏观经典的混和共存状态。而且,这个介观世界的特性具备着它的左邻右舍(微观世界和宏观世界)所没有的两大特点。第一个,就是它的强烈的尺寸效应。如果一个人拿一把标尺,从1个纳米开始,向一个微米方向滑动,他会发现,不同尺寸的纳米结构,表现出了截然不同的自然现象,当结构尺寸逼近1 纳米时,展现出更强烈的量子物理现象,而当尺寸靠近1个微米尺度时,宏观的经典物理开始主宰这个系统的特性。第二个,介观世界里发生的自然现象,同它的边界条件(即结构的表面状态)密切相关。这两个特性的存在,就使得这个空间充满着千变万化的物理神奇,决定了纳米技术同纳米艺术紧紧相连。

实现光与物质之间强的相互作用在设计光子器件上有重要意义,构筑共振腔体是实现光与物质强相互作用的重要途径。传统介电共振腔体有高的品质因子,但模式体积大,要减小其物理尺寸到亚波长受到光衍射极限限制。相比之下,表面等离激元共振腔能突破光衍射极限,能在亚波长和纳米尺度上实现对光子的操纵,因而它将在光源、传感和表面增强光谱等方面有重要的应用前景。当前影响表面等离激元共振腔性能的瓶颈是损耗大,如何控制表面等离激元模式和耦合界面是突破这一瓶颈的关键。

伟德体育官方网站 ,纳米技术的诞生,不亚于电子的发现,对于整个人类的生活和一切活动,带来了翻天覆地的变化。个人电脑,数码相机,手机,iPAD,DVD,卫星导航系统,因特网,通讯技术,遥感技术,生物仿生,医疗保健,环境监测与保护,新能源开发利用,等等一切应用,都是由纳米尺度(1纳米至1微米)的结构所具有的物理的,材料的,化学的和生物的特性所决定的!

张俊喜等在表面等离激元共振腔模式方面取得新的突破,在金纳米管阵列超材料腔体中发现了一种表面等离激元新的杂化模式。发展氧化铝模板电沉积技术控制制备金纳米管阵列超材料,通过控制纳米管长度实现对表面等离激元谐波模式数量和谐波阶以及不同阶谐波模式峰位的调控。采用时域有限差分法模拟发现金纳米管管壁表面不同阶谐波模式光场呈驻波形式,由此可以作为表面等离激元共振腔。第一次在这种纳米管阵列中发现横向模式和纵向模式耦合产生的表面等离激元T-L杂化模式和异常光透射耦合增强现象。这种新型的表面等离激元共振腔及其杂化模式有望用于设计高性能的纳米光子器件。该工作发表在《先进光学材料》(Advanced Optical Materials 5 , 1600731 上。

纳米科技的发展,也给人类带来一个全新的文化,即纳米艺术。这表现在下面几个方面:

同时基于银纳米棒阵列超材料设计了一种周期性耦合界面全开放形式的表面等离激元共振腔。发现纳米棒周期性界面显示强的表面等离激元腔模式,它是由纳米棒之间的表面等离激元近场耦合效应引起的。发现纳米棒阵列全开放腔体与金膜基底之间存在一种新的表面等离激元耦合模,随腔体与基底之间间隙增加,耦合模共振峰位发生蓝移、能量从腔体向基底发生转移。这种全开放形式的表面等离激元纳米共振腔便于转移到其它基底上,这为设计纳米光子器件及其应用提供原理和材料支持。该工作发表在《纳米技术》(Nanotechnology 27 , 415708 上。

第一、小就是美。

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原先非常粗大笨重的一个元器件(比如无线电收音机里的真空电子管),通过纳米加工技术,将其改进为肉眼无法看见的纳米尺度的半导体晶体管,使其放大率和灵敏度大大提高,同时功耗大大缩小。这样的一个技术,就是一门艺术。另一方面,在搭建这些三维的纳米结构的实践中,仅依赖现代化的光刻仪器是远远不够的。对于工艺技术和工艺步骤的设计和优化,来实现所需要的纳米架构,更需要经验和智慧的投入,甚至于艺术般的思维方式。举一实例:

图1. 发表论文被选为卷首插画

图1展示的是我在2000年在英国格拉斯哥大学工作期间,设计制备的30纳米尺度的T-形栅,应用在高频微波通讯技术上。这个尺寸在当初属于国际上最小。T-形栅的材料是金属。因为这个结构具有头重脚轻的特点,其机械牢靠度较差,为了提高其机械强度,我特意引进了纳米脚手架概念,即用一层40-60纳米厚的氮化硅来支撑T-形栅,使得这个高高耸立的栅电极不至于倒下。这样的结构,不仅首次实现了30纳米的T-形栅极,也同时具有很强的艺术观赏性。诸如此类的结构,由于是处在了纳米尺度的范围,要求每根线条都是那样的精细,每个洞孔都是那样的圆滑,差几个纳米都有可能改变结构的物理特性(尺寸效应)。这就需要精湛的加工技术和巧妙的设计才能实现。人们常将纳米结构同宏观世界里的大尺寸工具相类比,并冠以纳米字样,比如,纳米桥,纳米陨石,纳米星球,纳米脚手架,等等。

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伟德体育官方网站 3图1:SEM照片。30纳米脚宽的T-形栅用纳米脚手架支撑着。

图2. 金纳米管阵列超材料SEM照片, 金纳米管阵列超材料三阶谐波模式及光场分布, 不同管壁厚度(17 nm,10 nm和5 nm)金纳米管阵列表面等离激元共振腔的反射光谱, T-L杂化表面等离激元模式随管壁厚度的光场分布及异常光透射耦合增强现象

通过这个范例,我们认识到,一个搞工艺研究的科学家,其工作本身,就是一门艺术性极强的科研工作!这同其他从事工程建设项目的工作人员是类似的。比如,造房子,架桥梁,开渠道,挖运河,修梯田,等等,都是要达到安居乐业,美化家园,改造山河的目的。这些工作者,常被誉为能工巧匠。这里的巧,并不仅仅是做出一些具有观赏效果的结构,而是利用人类对于自然界中的一些物理原理,比如力学原理,来设计和构造出打破传统常规的建筑,这样的创新不胜枚举。南京中山陵的无梁殿,中国古代人建造的双曲拱桥,悉尼的歌剧院等,都是利用了力的分解原理,来实现超乎常规想象力的结构。这样的工作,就是一门艺术。

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第二,通过纳米科学和技术,利用纳米领域发生的自然现象(光的现象),来构筑人工设计的纳米结构,实现由纳米结构作为基本单元的具有艺术效果的工艺品。

图3. 银纳米棒阵列超材料SEM照片和示意图, 不同长度银纳米棒阵列超材料表面等离激元不同阶共振模式反射光谱, 相同长度银纳米棒超材料的表面等离激元不同阶腔模式光场分布, 银纳米棒阵列共振腔与金属膜基底之间间隙引起的耦合模光场分布

当前纳米技术在艺术加工方面最成功的应用是在平整的表面上制备出周期性的或者准周期的纳米尺度的结构,学术上称为光子晶体(photonic crystals)或者准光子晶体( quasi crystals)。这里的平面主要是指二维的表面。这个周期处在可见光波段(300-700纳米),使得光在这些结构上发生折射,衍射或者散射,要么出现光在波长上的选择性反射或者透射,在表面形成各种花色和图形;要么形成干涉而对人眼显现出三维立体结构(这种三维结构并非实际存在),从而达到一定的艺术效果。值得一提的是,在这方面的技术工作中,充分利用了人眼(天生的)视觉差,来起到以假乱真的效果。这个方面的纳米技术主要有两种,一种是通过多光束的干涉,来制备三维光子晶体,但这方面的工作在理论上已经成熟,技术上还远远没有突破,而且制备工艺和光刻条件要求非常高,成本也太高,离开实际生活中的应用还有相当大的距离。另一种是通过仿生学,采用化学合成等手段,来制备出纳米尺度的具有一定规律排列的颗粒层,通过表面这层颗粒同光的相互作用,来实现艺术效果。这个方面的基本原理就是利用了自然界普遍存在的结构色。一个范例就是在仿生学方面。国内外仿生科学的多年研究揭示,自然界中色彩斑斓的昆虫(如蝴蝶),鱼鳞,鸟羽毛等,都是由于其表面有规律排列的亚微米尺度的结构对光的选择性闪射,干涉和衍射造成的,而不是材料本身的色素(化学色)造成的。这样产生的颜色有别于化学色素产生的颜色,科学术名:结构色。目前,国内外已经开始了微纳仿生技术的研发,在材料表面形成结构色,取代化学色,并正在应用到工业生产之中。利用这样的结构色,可以制备出特别鲜艳的包装纸和艺术品。这个技术,也已经广泛地被应用在仿伪标记上,比如,银行卡、身份证、纸币、昂贵名牌时装、名牌手表,等等。以上所举的,是利用所谓的纳米光子晶体结构来实现对于光的调制,达到艺术效果。还有一个更加令人神往的纳米科学与加工技术,就是通过现代光学新的理论,来设计制备一些自然界不存在的周期性结构,即所谓的超结构材料(metamaterial)。其纳米结构的周期小于光的波长。如图2a所示,这样特别设计的图形制备在石英玻璃上,表面再镀一层金属。通过调节纳米结构因子,可以实现某个波长的共振吸收,从而实现对颜色的控制和调节(图2b)[1],实现了艺术上的效果。从理论上说,这样的共振吸收同材料的折射率有关,因此,任何玻璃材料或者塑料等都可以被纳米加工后用来对光线作调制,达到没有染料的染色的目的。直接应用就是昂贵的珠宝和砖石的无化学染色。另外一个应用例子,就是西方教堂窗户玻璃的着色。图3a里的照片是法国巴黎圣母院(Notre Dame, Paris)。请注意那教堂的大窗户(图3b),从外面看,没有明显的光线反射,因为在建筑时,建筑工匠在玻璃表面涂上了一层彩色玻璃透明涂料,其厚度的选择刚好使得阳光绝大部分被透射进教堂。这样,从里面看玻璃窗,就显得五彩缤纷,明亮耀眼(图3c)。但是,这样的涂料,随着风烛残年,经历了几个世纪后,都纷纷脱落,必须不断修补。这么大的一个教堂,唯有两个玫瑰形窗户上的玻璃涂料(图3c),还是保持原先建造时的样子。而其它所有窗户,都已经是后来不断更新的。现在,有了我们的纳米技术,可以在玻璃片表面容易地构筑如图2a所示的结构,然后廉价地电镀一层金属,就可以得到对玻璃的染色。由于结构是纳米的,实现超精细的图形。

伟德体育官方网站 5图2。超结构材料及其对于光的调制作用

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伟德体育官方网站 7图3。法国巴黎圣母院和教堂的窗户玻璃。

第三,通过纳米加工上的一些特殊手段,来表现纳米加工的艺术性

这些特殊手段非常广泛,包括实验中的一些偶然现象:一些失败的结构,样品表面的一些纳米灰尘或者残留水迹,自然结晶体的纳米结构。比如,图4中显示的,是一粒样品表面的灰尘。但在SEM照片中,其形貌酷似一辆电瓶车,因此,在充分发挥想象力下,这个灰尘变成了一辆纳米电瓶车。

伟德体育官方网站 8图4. 纳米电瓶车

此外,通过艺术加工方法,比如PS方法,在一些SEM照片中,做一些艺术加工,来表达一些与这样的结构有关的自然现象。这里举一例:图5中展现一个彩色的平面准光子晶体。纳米光学科学家的最新研究发现,光线在传播中,有一个超级振荡效应:将光谱用有限个正弦波来做线性组合,总能够找到一个振荡分量,其振荡频率可以任意高。这就是最近几年才发现的波的超级振荡理论[2]。这个理论在2007年被英国科学家在平面准光子晶体中(图5)用实验证实[3]。

伟德体育官方网站 9图5. 用电子束光刻在石英上制备的具有准周期特性的准光子晶体。光子晶体的材料是铝。SEM照片是黑白的。彩色是通过PS手法加工而成。其艺术加工的目的就是要表达:这样设计的准光子晶体,实现了对光线按照波长的分离(傅里叶变换)。

因此,在欣赏某些纳米艺术品时,还必须具备一定的基础知识,才能完全真正的了解纳米艺术所表现的真正内涵。

值得一提的是,采用这种特殊手段进行纳米艺术表现是最常见的。它并不要求做出非常精细的纳米结构,往往是通过作者的丰富的想象力,来展现其艺术的一个侧面。举一个具体的例子,图6是在一个硅片表面的一个小水滴蒸发后留下的痕迹。在SEM下,这个小痕迹犹如星球表面被飞来的陨石所击中。

此类纳米艺术表现方法由于成本低廉,加上没有必要采用先进昂贵的实验室仪器和设备,得到了极其广泛的青睐。为此,一些重大的年度纳米技术国际会议,都专门设有一个微纳显微照片比赛(Micrograph contest)。在这样的比赛中,反映精美的纳米结构可以得奖,而一些反映失败结构的照片,配合以奇妙的构思和描写,照样可以获得殊荣。例如,在2008年在美国召开的国际电子束、离子束和光束会议(EIPBN2008),简称三束会议,一幅主题为“生命的开始”的SEM照片(图7)由于构思极其巧妙而获得头等奖。

伟德体育官方网站 10图6.纳米陨石

伟德体育官方网站 11图7,这个照片的主题是“生命的开始”。而实际上,这里的结构是在硅材料上制备的光子晶体,与生命科学毫无关系。作者将这样的一个结构,奇妙地想象为生命的开始,从而获得了那届国际会议的比赛头等奖。(照片下载于EIPBN2008网站)

纳米技术要构筑的世界是一个丰富多彩的介观世界。在这个介观世界里所发生的一切自然现象,正在被人们广泛的应用于我们日常生活的每一个角落。它的成功,将大大地提高我们的生活质量,增强人们的体质,提高农业产量,确保食品安全,维持社会安定,保护人类的生活环境,解决地球的资源问题。因此,我要说的是,纳米技术本身,就是一门艺术。