纳米技术进入彩色时代 可与光纤结合

    如果用电视技术来衡量目前纳米技术发展水平的话，那么，我们还只是处于上世纪50年代。

    虽然科学家已经可以使用各种令人惊叹的技术操控纳米尺度的物体，但是他们只能观察到这些物体的黑白影像。因为获得纳米尺度上化学反应过程和光子与物体相互作用的信息，即相当于建立一台能够分辨色彩的原子显微镜，是一个很大的难题。

    不过，近日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究者们研制出的一种新型器件成功解决了这一难题。

    有趣的是，这个研究团队原本只是想研究基础层面光电转化的过程，却没想到揭示了一个崭新的纳米世界。相关研究成果日前发表于《科学》。

    “如果你想仔细地观察一种材料，特别是纳米材料，传统方法是利用电子显微镜或扫描/探针显微镜。这些仪器具有很高的亚原子尺度空间分辨率。”该研究团队成员詹姆斯·斯库克说，“不过，这种方法不能获得材料的化学与光学信息。”他解释说，在常规原子力显微镜中，一个尖锐的金属探针本质上是将样本进行拖动，来生成其亚原子尺度的拓扑地图。这一地图效果很精细，但是只包含空间信息，不包含化学信息。

    论文的作者之一，伯克利实验室的美国能源部纳米科学中心下属分子铸造所的研究人员亚历克斯·韦伯·巴尔焦尼则告诉记者：“我们找到了一种可以结合扫描/探针显微镜和光谱学技术两者优点的方法，使得我们可以观测纳米尺度上化学和光学过程。”

    据了解，材料与光线相互作用方式在很大程度上取决于其化学组成，因此，为了得到材料的化学信息，研究者通常求助于光谱学技术。

    但问题是，对于纳米科学来说，光谱学技术受衍射极限的限制，这也就是说，受光波性质的影响，光线无法会聚到一个小于其一半波长的点上。

    为避开衍射极限，科学家利用一种名为“近场”的光线来进行观测。然而，与我们平常见到的光线不同，近场光线反射后能量会以指数形式衰减，导致其难以被测量。

    詹姆斯·斯库克表示：“利用近场光线的挑战在于如何设计一种器件，将近场光转化为远场光，也就是我们平时所见的光线。我们的研究成果就是设计出了这种器件。”

    他告诉记者，理论上，实现这种转换需要借助于光和金属表面电子相互作用引起的一种电磁波模式表面等离子体激元。被一小段空间分开的两个表面上的等离子体激元可以收集并放大这段空间中的光场，进而产生一种更强的信号，也就是远场光以供科学家测量。

    基于此，伯克利实验室的研究人员将一种四面锥体，且其中两面覆盖有金箔的探针焊接在一段光纤的末端。由于这种探针的外形非常像加州大学校园中的教堂钟楼，因此，研究者将其命名为“钟楼。”

    两片金箔之间具有微小的缝隙，进而，“钟楼”可以借助金箔上形成的表面等离子体激元和这条缝隙将近场光线转化为远场光线。

    因此，将原子力显微镜中的探针用“钟楼”替代，就能将图案由黑白转为彩色，也就是说，在得到空间信息的同时，还能得到图案上每个像素点中的大量光学数据。

    之后，凭借光谱学技术，科学家就可以识别出被观测的原子和分子种类，并得到电子结构的细节。

    “这就是这种探针的巧妙之处。”斯库克说，“你可以像使用传统原子力显微镜一样使用它。”

    据介绍，该研究团队已用他们的新发明研究了制造太阳能电池的材料之一铟—磷化物纳米线，结果发现，这些纳米线并非之前想象的那样具有同质性，而是随着长度的不同而拥有不同的光电性能。

    亚历克斯·韦伯·巴尔焦尼表示：“关于铟—磷化物的这一发现很重要，其能够决定一台光电设备的转化效率。”