用于检测微小纳米材料的紫外激光

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员使用超高速极紫外激光测量了比人类红细胞薄100多倍的材料的特性。该团队报告了其超薄的新成就这周的杂志物理评论材料．该研究的合著者约书亚·诺布洛赫说，该小组的目标是一层只有5纳米厚的薄膜，是研究人员迄今为止能够完全探测到的最薄的材料。研究人员希望他们的发现可以帮助科学家设计更小、更高效的计算机电路、半导体和其他技术。

“这是一项创纪录的研究，看看我们能做到多小，我们能做到多准确，”JILA的研究生Knobloch说，JILA是科罗拉多大学博尔德分校和国家标准与技术研究所(NIST)的合作项目。他补充说，当事情变得很小时，正常的工程规则并不总是适用。例如，该小组发现，一些材料似乎变得越薄越软。

研究人员希望他们的发现有一天能帮助科学家更好地驾驭往往不可预测的纳米世界，设计更小、更高效的计算机电路、半导体和其他技术。

“如果你在做纳米工程，你不能像对待普通的大材料一样对待你的材料，”特拉维斯·弗雷泽说，他是这篇新论文的第一作者，也是JILA的前研究生。“因为它很小，所以表现得像一种不同的材料。”

“这一惊人的发现——非常薄的材料可能比预期的要薄10倍——是新工具如何帮助我们更好地理解纳米世界的又一个例子，”这项新研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授和JILA研究员Margaret Murnane说。

纳米摆动

这项研究出炉之际，许多科技公司正试图做到这一点:缩小规模。一些公司正在试验制造高效电脑芯片的方法，这种芯片可以将材料薄膜一层一层地叠在另一层上，就像一层酥皮饼，但却在笔记本电脑内部。

弗雷泽说，这种方法的问题在于，科学家们难以预测这些片状层将如何表现。它们太微妙了，无法用常规工具以任何有意义的方式测量。

为了帮助实现这一目标，他和他的同事们部署了极紫外激光器，或提供比传统激光器更短波长的辐射束——波长与纳米世界匹配得很好。研究人员开发了一种装置，可以让这些光束从只有几股DNA厚的材料层上反弹，跟踪这些薄膜振动的不同方式。

弗雷泽说:“如果你能测量材料的摆动速度，就能知道它的硬度。”

原子中断

这种方法还揭示了当你把材料做得非常非常小时，材料的性质会发生多大的变化。

例如，在最近的研究中，研究人员探测了两种碳化硅薄膜的相对强度:一种大约46纳米厚，另一种只有5纳米厚。该团队的紫外激光带来了令人惊讶的结果。较薄的薄膜比较厚的薄膜柔软约10倍，或者说硬度较低，这是研究人员没有预料到的。

弗雷泽解释说，如果你把薄膜做得太薄，你就会切断将材料连接在一起的原子键——有点像解开磨损的绳子。

弗雷泽说:“薄膜顶部的原子在它们下面有其他原子，它们可以抓住它们。”“但在它们上面，原子没有任何可以抓住的东西。”

但他补充说，并非所有材料的性能都是一样的。研究小组在第二种材料上重新进行了同样的实验，这种材料与第一种材料几乎完全相同，但有一个很大的不同——这种材料加入了更多的氢原子。这样的“掺杂”过程可以自然地破坏材料内部的原子键，使其失去强度。

当研究小组用激光测试第二种更薄的材料时，他们发现了一些新的东西:这种材料在44纳米厚的时候和在11纳米厚的时候一样强。

换句话说，额外的氢原子已经削弱了物质。一点点额外的收缩不会造成更大的伤害。

最后，该团队表示，他们的新型紫外激光工具为科学家们打开了一扇通往以前科学无法掌握的领域的窗口。

诺布洛赫说:“现在人们正在建造非常非常小的设备，他们想知道厚度或形状等属性如何改变材料的性能。”“这为我们提供了一种获取纳米技术信息的新方法。”

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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