哥伦比亚大学的研究人员利用激光解开二维材料

在 5 月 1 日发表在《科学进展》杂志上的一篇新论文中，哥伦比亚工程大学的研究人员使用市售的台式激光器在一种名为六方氮化硼 (hBN) 的层状二维材料样品中创建了微小的、原子级锋利的纳米结构或纳米图案。

在与物理系的同事一起探索纳米图案结构的潜在应用时，研究小组发现，他们的激光切割的 hBN 样品可以有效地创建和捕获称为声子极化子的准粒子，当材料中的原子振动与光子结合时就会发生这种准粒子。

“纳米图案化是材料开发的一个重要组成部分，”领导该技术开发的工程博士生 Cecilia Chen 解释道。“如果你想把一种具有有趣特性的酷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型纳米图案技术是一种利用光修改材料的简单方法，而且它不需要昂贵且资源密集的洁净室。

纳米尺度的悖论

目前已有多种成熟的技术可用于修改材料并创建所需的纳米图案，但它们往往需要大量培训和昂贵的开销。例如，电子束光刻机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，这很容易损坏样品;激光本身的尺寸也限制了可以创建的图案的大小。

Gaeta 实验室的技术利用了光学和光子学界所称的“光学驱动”。所有材料都会以特定的共振频率振动。陈和她的同事可以通过将激光调整到该频率来增强这些振动——对于 hBN 来说，这相当于 7.3 微米的波长——他们在去年 11 月发表在《自然通讯》上的一项研究中首次证明了这一点。在这项新发表的研究中，他们让 hBN 产生更强烈的振动，但激光并没有破坏底层原子结构，而是将晶格干净地分开了。据陈介绍，这种效果在显微镜下清晰可见，看起来就像拉开拉链一样。

样品上产生的线条非常清晰，而且比用于创建这些线条的中透视 激光波长小得多(只有几纳米)。“通常，你需要更短的波长来制作更小的图案，”陈说。“在这里，我们可以用非常长的波长创建非常清晰的纳米结构。这是一个矛盾的现象。”

小结构，大物理

为了探索如何利用纳米图案样品，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二维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子。这些振动的准粒子可以帮助科学家“看到”传统显微镜衍射极限之外的东西，并检测出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，它们也可能成为光学设备小型化的关键组件。

“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，”物理学博士生兼合著者塞缪尔·摩尔解释说。“通过利用强大的六方氮化硼原子振动，我们可以将透视 光波长缩小几个数量级。”

需要超锐利的边缘来激发声子极化子——通常，它们是通过所谓的“透明胶带”方法从 hBN 薄片的侧面发射的，在这种方法中，使用家用胶带将块状晶体机械剥离成更薄的层。然而，该团队发现激光​​切割线为创建准粒子提供了更有利的条件。“令人印象深刻的是，激光切割的 hBN 区域发射声子极化子的效率甚至比边缘更高，这表明超窄的未压缩 hBN 区域与透视 光有强烈的相互作用，”Moore 说。

由于新技术可以在样品的任何地方创建纳米结构，他们还平行解开了两条线。这会产生一个小腔，可以将声子极化子限制在原地，从而增强它们的纳米光学灵敏度。该团队发现，他们解开的腔在捕获准粒子方面的表现与在洁净室中创建的传统腔相当。

陈指出：“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媲美。”

逃离洁净室

该技术可以创建许多可定制的纳米图案。除了双线腔之外，它还可以创建任意数量的平行线。如果可以按需以任何所需的间距生产此类阵列，则可以大大提高声子极化子的成像能力，这将是一项巨大的成就，Moore 说。

一旦开始，断裂可以延长到需要的时间，厚度为 80 纳米和厚度为 24 纳米的样品都可以解开——理论上，断裂可能要低得多。这为研究人员提供了大量选择来修改 hBN 并探索其纳米图案化如何影响其最终特性，而无需穿上洁净室兔子服。“这真的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。由于六方氮化硼是一系列重复的六边形，该技术目前只能产生以 60° 或 120° 相交的直线或斜线，不过陈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;如果他们能确定如何瞄准平面外的振动，他们就有可能将块状晶体切割成不同的三维形状。他们的激光功率也受到限制，他们花了数年时间精心调整激光功率，使其在所需波长下稳定工作。虽然他们的中透视 装置非常适合修改六方氮化硼，但需要不同的激光器来修改具有不同共振的材料。

无论如何，陈对团队的理念以及未来可能实现的目标感到兴奋。作为 Gaeta 实验室超快激光小组的成员，陈帮助他们从创建和研究高功率激光器过渡到将其用作探测二维材料光学特性的工具。

这个问题与陈在实验室外从事抱石运动时遇到的其他问题有相似之处。抱石运动是一种攀岩运动，攀岩者在没有安全带的情况下攀爬低矮崎岖的岩壁，以便在跌倒时能抓住自己。“在抱石运动中，潜在的攀岩路线被称为问题，解决这些问题没有正确答案，”她说。最好的解决方案不能强行求得，她继续说：“你必须想出一个计划，否则你就不会成功，无论是弄清楚如何利用巨石的宏观特征，还是微小晶体的微观特征。”

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