物理所飞秒超快激光法制备超小尺寸银纳米孔取得进展

2011-11-09 11:34 来源: 中国科学院
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  尽管光学衍射极限极大地限制了纳米结构的光学方法制备,但是这方面的努力和进步一直都没有停止过。在这样的进程中超快激光起到了重要的作用,“用超快制备超小结构”成为其特色。目前这方面的努力大致可以分成三类:(1)光束聚焦时以光子作为辅助,即非线性光学效应;(2)光束聚焦时以金属探针针尖作为辅助;(3)光束聚焦时以原子分子作为辅助。总的看来,作为辅助的光子、探针针尖、原子分子等,它们的尺度越来越小,相应能够制备的纳米结构的尺寸也越来越小。飞秒超快激光液体中烧蚀法属于第(3)类,此前国际上虽然工作众多,但是制备出的结构多为平庸的纳米颗粒,很少有非球形的纳米结构的报道。

  中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的表面物理国家重点实验室赵继民副研究员在进行表面及纳米体系的超快光学研究中,采用上述方法制备银纳米结构,在观测到个别非球形纳米结构之后,改进了国际上现有的方法,研究和改变了各种复杂的实验条件以求制备出较小尺寸的银纳米孔。他与表面物理国家重点实验室孟胜研究员一起,细致分析了实验中观察到的超小银纳米孔形成的微观物理机制,并基于密度泛函理论构造了纳米孔形成的分子层次模型,揭示了其中包覆剂分子如何起到关键作用;并与先进材料与结构分析实验室杨槐馨研究员、纳米物理与器件实验室徐红星研究员等通力合作,进行了大量的实验表征和探索,制备出的纳米孔达到直径为2.3nm,深度为3nm。

  更进一步,研究人员通过改变分子大小实现了改变银纳米孔直径的大小,制备出直径1.6nm的银纳米孔,印证了提出的物理机制的正确性并拓展了应用前景。迄今为止,国际上没有其它top-down实验方法可以实现这样小尺寸的金属的纳米结构。

  新方法结合了飞秒超快激光和化学包覆剂分子的优点,其中纳米孔的形成基于渐进生长物理机制。超小直径的单个的银纳米孔可能应用在带孔洞的金属覆盖的近场光学扫描探针、高分辨成像覆盖掩膜、磁性等离激元共振研究、单孔生物传感器等领域。以上工作极大地促进了以光学方法制备纳米结构的进展。

  相关研究论文发表在近期的Nano Lett. 11, 3251-3257(2011)上,并获得了相关发明专利。

  上述工作得到了基金委、科技部、科学院百人计划、科学院创新工程的支持。

图一:银纳米孔的形貌图及直径分布图,白色圆斑为纳米孔,黑色部分为银膜。

图二:生长形成纳米孔的物理机制,中间为放大的圆孔,右边A→B→C→C→D→E为不同的生长序列阶段。

图三:形成纳米孔的分子水平微观物理机制,左图为能量极小值,右图为分子大小与孔直径关系。