基于光的“拖拉机光束”精确地组装了纳米级结构

时间:2019-11-11 13:03 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

基于光的“拖拉机光束”精确地组装了纳米级结构

 

  聚焦的激光产生光学“牵引束”,该束可以在有机溶剂溶液中操纵和定向带有金属尖端(蓝色)的半导体纳米棒(红色)。激光产生的能量使捕获的纳米棒的金属尖端过热,从而使对齐的纳米棒可以在基于溶液的“纳米焊接”过程中端对端地焊接在一起。图片来源:文森特·霍姆伯格/马修·克兰/艾琳娜·潘德雷斯/彼得·帕乌斯基斯基

  现代建筑是一项精密的工作。建筑商必须使用为满足特定标准而制造的组件,例如所需组成的横梁或特定尺寸的铆钉。建筑行业依靠制造商可靠且可重复地创建这些组件,以建造安全的桥梁和有声摩天大楼。

  现在想象一下以较小的比例进行构造-小于一张纸厚度的1/100。这是纳米级。这是科学家致力于在量子计算等领域开发潜在突破性技术的规模。这也是传统制造方法根本行不通的规模。我们的标准工具,即使是小型化的工具,也体积太大,腐蚀性太强,无法以可重复的方式制造纳米级的组件。

  华盛顿大学的研究人员已经开发出一种方法,可以使纳米级的可重复生产成为可能。该团队采用了一种广泛应用于生物学的基于光的技术(称为光阱或光镊),以在富含碳的有机溶剂的无水液体环境中运行,从而实现了新的潜在应用。

  正如该团队在2019年10月30日发表在《自然通讯》杂志上的论文中报道的那样,光学镊子充当基于光的“牵引束”,可以将纳米级半导体材料精确地组装成更大的结构。与抓住太空飞船的科幻拖拉机光束不同,该团队使用光镊来捕获比一米短近十亿倍的材料。

  “这是一种纳米制造的新方法,”美国华盛顿大学材料科学与工程系副教授,分子工程与科学研究所和纳米工程系统研究所的教职人员,高级研究员彼得·保扎斯基(Peter Pauzauskie)说。太平洋西北国家实验室的科学家。“在制造过程中不涉及腔室表面,这可以最大程度地减少应变或其他缺陷的形成。所有的成分都悬浮在溶液中,当纳米结构逐块组装时,我们可以控制纳米结构的大小和形状。”

  威斯康星大学化学工程学助理教授,清洁能源学院教授,​​共同作者,作家研究所和分子工程与科学研究所。“有机溶剂还帮助我们使正在使用的材料过热,从而使我们能够控制材料的转变并推动化学反应。”

  为了证明这种方法的潜力,研究人员使用光镊子构建了新颖的纳米线异质结构,该结构是由不同部分组成的纳米线,这些不同部分由不同的材料组成。纳米线异质结构的起始材料是较短的“纳诺德”晶体锗,每个晶体只有几百纳米长,直径只有几十纳米,比人的头发薄约5,000倍。每个都覆盖有金属铋纳米晶体。

  然后,研究人员使用基于光的“牵引束”来抓住其中一个锗纳米棒。来自束的能量也使纳米棒过热,从而熔化了铋帽。然后,它们将第二根纳米棒引导到“牵引束”中,并且-由于末端有熔融的铋帽,因此将它们端对端焊接。然后,研究人员可以重复该过程,直到组装出具有重复的半导体-金属结的图案化纳米线异质结构,该结比单个构件长五到十倍。

  Holmberg对杏鑫平台登录注册说:“我们已经将这种面向光学的组装过程称为“光子纳米焊接”-本质上是利用光在纳米级将两个组件焊接在一起。

  包含材料之间的结点的纳米线,例如UW团队合成的锗-铋结,最终可能会成为创建用于量子计算的拓扑量子位的途径。

  牵引光束实际上是高度聚焦的激光,会产生一种光阱,这是Arthur Ashkin在1970年代率先获得诺贝尔奖的方法。迄今为止,光阱几乎仅在基于水或真空的环境中使用。Pauzauskie和Holmberg的团队改编了光阱技术,以在挥发性更高的有机溶剂环境中工作。

  霍尔姆伯格说:“在任何类型的环境中产生稳定的光阱都是一种微妙的力量平衡作用,我们很幸运有两个非常有才华的研究生共同致力于这个项目。”

  组成激光束的光子在紧靠光阱的物体上产生力。研究人员可以调整激光器的属性,以便产生的力可以捕获或释放物体,无论是单个锗纳米棒还是更长的纳米线。

  Pauzauskie说:“这是可靠的,可重复的纳米加工方法所需要的那种精度,而不会与其他表面或材料发生混乱的相互作用,而这些表面或材料会向纳米材料中引入缺陷或应变。”

  研究人员认为,他们的纳米焊接方法可以使具有不同材料集的纳米级结构的增材制造用于其他应用。

  霍尔姆伯格说:“我们希望这个演示结果能使研究人员使用光阱技术来操纵和组装更广泛的纳米级材料,而不论这些材料是否恰好与水相容。”

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