研究人员利用范德华（vdW）纳米材料制造纳米级谐振器

当与电子器件相结合时，红外光可以在分子水平上使传感、成像及信号传输设备实现小型化和加快速度。为了充分利用红外光的优势，用于红外光学和光电应用的材料需要达到无缺陷结晶度。

为了制造与红外光强烈共振的高质量晶体，美国斯坦福大学（Stanford University）与劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）共同合作，开发利用自上而下、自组装的方法来合成的具有与块状单晶相一致的晶体质量纳米结构。超薄纳米结构作为红外波段晶格振动的超高质量纳米级谐振器，可为红外应用提供高性能且低损耗的平台。

为了制造纳米级谐振器，研究人员利用范德华（vdW）纳米材料。范德华材料支持红外光子和晶格振动（即声子）之间的强烈共振，并形成混合光子-声子准粒子，称为声子极化激元（phonon polaritons）。

图1 原子力显微镜（AFM）尖端将X射线束的红外光聚焦到微小的光斑上，实现探测超薄带状纳米晶体（黄色）的晶格振动

研究人员利用一种快速、经济且可扩展的工艺（即火焰蒸气沉积（FVD））来合成声子极化范德华材料。研究人员表示，FVD是对当前机械剥离方法的重大进步，当前的方法多是劳动密集型和非系统的。此外，气相沉积技术速度较慢，成本较高，需要光刻处理，还可能会损坏晶体。

研究人员利用FVD生长出氧化钼（MoO₃）纳米带，这是一种范德华声子极化材料，具有将共振调谐到红外波段的潜力。研究人员可以通过改变温度、钼浓度和时间，来控制合成的MoO₃纳米结构的大小和形状。

通过FVD方法制备的MoOv纳米带具有光滑、平行的边缘，可以用作反射面，因此可以作为红外声子极化激元驻波的谐振腔。

为了测量红外纳米谐振器的质量，研究人员利用LBNL的先进光源（ALS）中的同步红外纳米光谱（SINS）探测了谐振器。

图2 （上图）利用FVD法合成MoO₃的纳米结构；（下图）在不同FVD条件下制备的MoO₃样品（微板、纳米带和纳米线）的扫描电子显微镜图像

利用ALS Beamline 2.4的宽带红外光，研究人员能够绘制横跨中远红外波长的声子极化激元共振，覆盖发生共振的四个不同波段。此外，研究人员还使用了Beamline 5.4，可覆盖中红外范围，其光谱分辨率比传统商业系统高得多。

SINS利用AFM的尖端将红外光束从同步辐射聚焦到小于红外光波长的光斑尺寸。研究人员将MoO₃结构干转印到靶衬底上，并利用AFM尖端聚焦的红外光表征其结构。

所得到的共振图首次完全表征了具有高空间和光谱分辨率的FVD合成MoO₃纳米带的宽带红外响应，可探测超过十阶的共振模式。与其他方法制备的纳米结构相比，该方法的共振更强、更易辨别。通过FVD得到的品质因子（Q因子）是声子极化激元谐振器中较高水平，证明了该纳米晶体的高质量。

自下而上合成的范德华纳米结构是红外波段晶格振动的超高质量纳米谐振器，并可作为红外光学和光电应用的高性能、低损耗平台，其潜在应用包括亚波长成像、热发射和分子传感系统等。以上研究成果已发表于ACS Nano期刊。

        审核编辑：彭菁