當(dāng)與電子器件相結(jié)合時，紅外光可以在分子水平上使傳感、成像及信號傳輸設(shè)備實現(xiàn)小型化和加快速度。為了充分利用紅外光的優(yōu)勢，用于紅外光學(xué)和光電應(yīng)用的材料需要達(dá)到無缺陷結(jié)晶度。

為了制造與紅外光強烈共振的高質(zhì)量晶體，美國斯坦福大學(xué)（Stanford University）與勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）共同合作，開發(fā)利用自上而下、自組裝的方法來合成的具有與塊狀單晶相一致的晶體質(zhì)量納米結(jié)構(gòu)。超薄納米結(jié)構(gòu)作為紅外波段晶格振動的超高質(zhì)量納米級諧振器，可為紅外應(yīng)用提供高性能且低損耗的平臺。

為了制造納米級諧振器，研究人員利用范德華（vdW）納米材料。范德華材料支持紅外光子和晶格振動（即聲子）之間的強烈共振，并形成混合光子-聲子準(zhǔn)粒子，稱為聲子極化激元（phonon polaritons）。

圖1 原子力顯微鏡（AFM）尖端將X射線束的紅外光聚焦到微小的光斑上，實現(xiàn)探測超薄帶狀納米晶體（黃色）的晶格振動

研究人員利用一種快速、經(jīng)濟且可擴展的工藝（即火焰蒸氣沉積（FVD））來合成聲子極化范德華材料。研究人員表示，F(xiàn)VD是對當(dāng)前機械剝離方法的重大進(jìn)步，當(dāng)前的方法多是勞動密集型和非系統(tǒng)的。此外，氣相沉積技術(shù)速度較慢，成本較高，需要光刻處理，還可能會損壞晶體。

研究人員利用FVD生長出氧化鉬（MoO?）納米帶，這是一種范德華聲子極化材料，具有將共振調(diào)諧到紅外波段的潛力。研究人員可以通過改變溫度、鉬濃度和時間，來控制合成的MoO?納米結(jié)構(gòu)的大小和形狀。

通過FVD方法制備的MoOv納米帶具有光滑、平行的邊緣，可以用作反射面，因此可以作為紅外聲子極化激元駐波的諧振腔。

為了測量紅外納米諧振器的質(zhì)量，研究人員利用LBNL的先進(jìn)光源（ALS）中的同步紅外納米光譜（SINS）探測了諧振器。

圖2 （上圖）利用FVD法合成MoO?的納米結(jié)構(gòu)；（下圖）在不同F(xiàn)VD條件下制備的MoO?樣品（微板、納米帶和納米線）的掃描電子顯微鏡圖像

利用ALS Beamline 2.4的寬帶紅外光，研究人員能夠繪制橫跨中遠(yuǎn)紅外波長的聲子極化激元共振，覆蓋發(fā)生共振的四個不同波段。此外，研究人員還使用了Beamline 5.4，可覆蓋中紅外范圍，其光譜分辨率比傳統(tǒng)商業(yè)系統(tǒng)高得多。

SINS利用AFM的尖端將紅外光束從同步輻射聚焦到小于紅外光波長的光斑尺寸。研究人員將MoO?結(jié)構(gòu)干轉(zhuǎn)印到靶襯底上，并利用AFM尖端聚焦的紅外光表征其結(jié)構(gòu)。

所得到的共振圖首次完全表征了具有高空間和光譜分辨率的FVD合成MoO?納米帶的寬帶紅外響應(yīng)，可探測超過十階的共振模式。與其他方法制備的納米結(jié)構(gòu)相比，該方法的共振更強、更易辨別。通過FVD得到的品質(zhì)因子（Q因子）是聲子極化激元諧振器中較高水平，證明了該納米晶體的高質(zhì)量。

自下而上合成的范德華納米結(jié)構(gòu)是紅外波段晶格振動的超高質(zhì)量納米諧振器，并可作為紅外光學(xué)和光電應(yīng)用的高性能、低損耗平臺，其潛在應(yīng)用包括亞波長成像、熱發(fā)射和分子傳感系統(tǒng)等。以上研究成果已發(fā)表于ACS Nano期刊。

審核編輯：彭菁