研究人员用激光解压二维材料

在 5 月 1 日发表在《科学进展》杂志上的一篇新论文中，哥伦比亚工程学院的研究人员使用市售台式激光器在称为六方氮化硼 (hBN) 的层状 2D 材料样品中创建了微小的、原子级锐利的纳米结构或纳米图案。

在与物理系的同事探索纳米图案结构的潜在应用时，该团队发现他们的激光切割六方氮化硼样品可以有效地产生和捕获称为声子极化激元的准粒子，这种准粒子在材料中的原子振动与光光子结合时发生。

“纳米图案是材料开发的一个主要组成部分，”工程博士解释道。学生塞西莉亚·陈(Cecilia Chen)领导了该技术的开发。

“如果你想将一种具有有趣特性的很酷的材料变成可以执行特定功能的东西，你需要一种方法来修改和控制它。”

亚历山大·加埃塔(Alexander Gaeta)教授实验室开发的新纳米图案技术是一种用光修改材料的简单方法，而且不需要昂贵且资源密集的洁净室。

纳米级悖论

存在几种成熟的技术来修改材料并创建所需的纳米图案，但它们往往需要大量的培训和昂贵的开销。例如，电子束必须安装在严格控制的洁净室中，而现有的激光选项涉及高热和等离子体，很容易损坏样品;激光本身的尺寸也限制了可以创建的图案的尺寸。

加埃塔实验室的技术利用了光学和光子学界所谓的“光学驱动”技术。所有材料都会以特定的共振频率振动。 Chen 和她的同事可以通过将激光器调整到该频率(对于六方氮化硼而言，对应于 7.3 微米的波长)来增强这些振动，他们在去年 11 月发表在《自然通讯》上的研究中首次证明了这一点。

在新发表的研究中，他们将六方氮化硼推向更强烈的振动，但激光并没有破坏底层的原子结构，而是将晶格彻底分开。据陈说，这种效果在显微镜下可见，看起来就像拉开拉链一样。

样品上产生的线条具有原子级锐度，并且比用于创建它们的中红外激光波长小得多(仅几纳米)。 “通常，你需要更短的波长来制作更小的图案，”陈说。 “在这里，我们可以使用很长的波长创建非常尖锐的纳米结构。这是一种矛盾的现象。”

小结构，大物理

为了探索纳米图案样品的用途，工程团队与物理学家 Dmitri Basov 的实验室合作，该实验室专门研究在不同的 2D 材料中创建和控制纳米光学效应，包括在六方氮化硼中创建声子极化激元。

这些振动的准粒子可以帮助科学家超越传统显微镜的衍射极限“看到”并检测材料中引起量子现象的特征。随着电子产品多年来变得越来越小，它们也可能成为小型化光学设备的关键组件。

“现代社会以小型化为基础，但缩小依赖光的设备比缩小依赖电子的设备要困难得多，”物理学博士解释道。学生兼合著者塞缪尔·摩尔。 “通过利用强烈的六方氮化硼原子振动，我们可以将红外光波长缩小几个数量级。”

激发声子极化激元需要超锋利的边缘——通常，它们是从通过所谓的“透明胶带”方法制备的六方氮化硼薄片的侧面发射的，其中使用家用胶带将大块晶体机械剥离成更薄的层。然而，研究小组发现，激光切割线为产生准粒子提供了更有利的条件。

摩尔说：“令人印象深刻的是，激光切割的六方氮化硼区域比边缘更有效地发射声子极化激元，这表明超窄的未压缩六方氮化硼区域与红外光发生强烈相互作用。”

由于新技术可以在样品上的任何位置创建纳米结构，因此他们还并行地拉开了两条线。这会产生一个小空腔，可以将声子极化子限制在适当的位置，从而增强它们的纳米光学灵敏度。研究小组发现，他们的未压缩空腔在捕获准粒子方面具有与洁净室中创建的传统空腔相当的性能。

“我们的结果表明，我们的初步结构可以与通过更成熟的方法创建的结构相竞争，”陈指出。

逃离洁净室

该技术可以创建许多可定制的纳米图案。除了两线腔之外，它还可以创建任意数量的平行线。摩尔说，如果可以按需生产具有任何所需间距的此类阵列，则可以极大地提高声子极化子的成像能力，这将是一项巨大的成就。

一旦开始，断裂可以根据需要延长，并且厚至 80 纳米和薄至 24 纳米的样品已经被拉开——理论上，界限可能要低得多。

这为研究人员提供了多种选择来修改六方氮化硼并探索其纳米图案如何影响其最终性能，而无需穿上洁净室兔子服。 “这实际上取决于你的最终目标，”陈说。

尽管如此，她仍然认为还有很大的改进空间。由于 hBN 是一系列重复的六边形，因此该技术目前只能产生以 60° 或 120° 相交的直线或有角度的线，尽管 Chen 认为将它们组合成三角形应该是可能的。

目前，断裂也只能发生在平面内;如果他们能够确定如何针对面外振动，他们就有可能将块状晶体切成不同的三维形状。他们还受到激光器功率的限制，他们花了数年时间仔细调整激光器，以使其在所需波长下稳定工作。虽然他们的中红外装置非常适合改性六方氮化硼，但需要不同的激光器来改性具有不同共振的材料。

不管怎样，陈对团队的概念及其未来可能做的事情感到兴奋。作为 Gaeta 实验室超快激光小组的成员，Chen 帮助他们从创建和研究高功率激光器过渡到使用这些激光器作为探测 2D 材料光学特性的工具。

这个问题与陈在实验室外作为抱石者时解决的其他问题有相似之处，抱石者是攀岩的一种形式，攀岩者爬上低矮、崎岖的岩石表面，没有安全带设备可以在跌倒时接住他们。

“在抱石运动中，潜在的攀登路线被称为问题，并且没有正确的答案来解决它们，”她说。最好的解决方案不能是蛮力，她继续说，“你必须想出一个计划，否则你不会成功，无论是弄清楚如何利用巨石中的宏观特征还是微小晶体中的微观特征。”

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