科学家研发出全新非接触式纳米显微镜概念

Jackzhao Science科学

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来自德国、美国和英国的一组物理学家近日设法在纳米级空间分辨率下，观察电子从一个原子薄层到相邻层的运动情况。这种全新的非接触式纳米显微镜概念在研究导电、非导电和超导材料方面具有巨大潜力，相关研究发表在最新的《Nature Photonics》中。

纳米技术有时听起来仍然像科幻小说，但已经是我们计算机、智能手机和汽车中现代电子产品不可或缺的一部分。晶体管和二极管等电子元件的尺寸已达到纳米级，仅相当于百万分之一毫米。这使得传统的光学显微镜不再足以检查这些纳米结构。

为了开发创新的未来纳米技术，科学家们用更复杂的概念取代了光学显微镜，例如电子或扫描隧道显微镜。然而，这些技术使用电子而不是光，这会影响纳米器件的特性。此外，这些重要的测量技术仅限于导电样品。

来自雷根斯堡大学雷根斯堡超快纳米研究中心 (RUN) 的 Rupert Huber 和 Jaroslav Fabian，联合来自美国密歇根州立大学的 Tyler Cocker、英国曼彻斯特大学的 Jessica Boland 共同介绍了一种新技术，它可以在不需要电接触的情况下解决纳米级的电子运动。

更优秀的是，新方法还达到了令人难以置信的时间分辨率，达到了千万亿分之一秒（飞秒时间尺度）。结合这些极端的空间和时间分辨率，可以在纳米尺度上记录超快电子动力学的慢动作电影。

该技术背后的概念类似于非接触式支付（芯片卡、电话、扫描仪），自大流行开始以来，非接触式支付已成为我们生活中越来越普遍的组成部分。这些支付方式基于宏观尺度上的既定频率和协议，例如近场通信 (NFC)。在这里，科学家们通过使用尖锐的金属尖端作为纳米天线将这一想法转化为纳米级，该天线靠近被研究的样品。

与上述已建立的技术相比，尖端用于驱动电流通过样品，新概念使用弱交变电场以非接触方式扫描样品。实验中使用的频率被提升到太赫兹光谱范围，比 NFC 扫描仪中使用的频率高约 100,000 倍。这些弱电场的微小变化允许对材料内的局部电子运动得出准确的结论。

将测量结果与现实的量子理论相结合，表明该概念甚至可以得到定量结果。为了另外实现高时间分辨率，物理学家使用极短的光脉冲来记录电子在纳米距离上运动的清晰快照。

该团队选择了一种称为过渡金属二硫属化物的新材料类别的样品作为他们的第一个测试样品，该材料可以在原子级薄层中生产。当这些片材以自由选择的角度堆叠时，新的人造固体就会出现，具有新的材料特性，雷根斯堡合作研究中心 1277 对此进行了突出研究。

正在研究的样品由两种不同的原子级薄二硫属化物制成，以测试未来太阳能电池的核心部件。当绿光照射到结构上时，会出现电荷载流子，根据它们的极性向一个或另一个方向移动——这是将光转化为电能的太阳能电池的基本原理。

科学家们在时间和空间中都以纳米精度观察到了超快电荷分离。令他们惊讶的是，当二硫属化物层像迷你地毯一样覆盖在微小杂质上时，电荷分离甚至可以可靠地进行——这是优化这些新材料以供未来用于太阳能电池或计算机芯片的重要见解。

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00813-y

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