研究人員利用范德華（vdW）納米材料制造納米級諧振器

當與電子器件相結合時，紅外光可以在分子水平上使傳感、成像及信號傳輸設備實現小型化和加快速度。為了充分利用紅外光的優勢，用于紅外光學和光電應用的材料需要達到無缺陷結晶度。

為了制造與紅外光強烈共振的高質量晶體，美國斯坦福大學（Stanford University）與勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）共同合作，開發利用自上而下、自組裝的方法來合成的具有與塊狀單晶相一致的晶體質量納米結構。超薄納米結構作為紅外波段晶格振動的超高質量納米級諧振器，可為紅外應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，FVD是對當前機械剝離方法的重大進步，當前的方法多是勞動密集型和非系統的。此外，氣相沉積技術速度較慢，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?納米結構的大小和形狀。

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量，研究人員利用LBNL的先進光源（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?的納米結構；（下圖）在不同FVD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紅外波長的聲子極化激元共振，覆蓋發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商業系統高得多。

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?結構干轉印到靶襯底上，并利用AFM尖端聚焦的紅外光表征其結構。

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，可探測超過十階的共振模式。與其他方法制備的納米結構相比，該方法的共振更強、更易辨別。通過FVD得到的品質因子（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量。

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

審核編輯：彭菁