科学家结合现有技术打造新型超快电子显微镜

日本名古屋大学的一组研究人员利用独特的组合技术，在最小和最快的水平上分析了纳米材料中光物质相互作用的机制。

纳米材料，即尺寸在1到100nm之间的纳米级材料，在工业和日常生活中都变得越来越重要。它们非常小的尺寸赋予了它们在较大材料中没有的独特特性。这些特性也特定于材料的性质和环境。为了扩展可在产品和制造过程中有效、安全和可持续地应用的纳米材料库，我们需要更深入地了解纳米粒子表面和内部发生的最小事件。

为了测量纳米材料，科学家们使用称为纳米计量学的计量学子领域。纳米计量学测量纳米尺度的长度尺度。为了给出一些背景信息，人类头发的宽度大约是100,000倍。当粒子如此之小时，科学家们还必须测量仅在几分之一秒内发生的事件。例如，一种称为光激发的现象通常在皮秒或万亿分之一秒内发生。因此，需要专门的设备来测量这些几乎是瞬时的事件。

由名古屋大学教员、可持续发展材料与系统研究所(IMaSS)的桑原诚副教授和工学研究生院的水野里拉、横井里奈和森下秀夫领导的一个研究小组调查了他们是否可以研究这种光激发在单个纳米粒子上发生的过程。

他们与HitachiHightechLtd.的高级研究人员合作，开发了一种超快电子显微镜，将由名古屋大学首创的具有“负电子亲和”表面的半导体光电阴极与通用电子显微镜相结合。通过结合这些技术创建的显微镜，我们可以观察纳米级的事件。研究人员在应用物理快报上发表了他们的发现。

对于纳米粒子，该小组使用化学合成的金纳米三角形。金适合这种实验，因为它是一种贵金属。这意味着它在一系列条件下是稳定的。金纳米粒子中的电子表现出一种称为“等离子共振”的现象。

当金纳米粒子受到特定波长的光的光激发时，纳米粒子中的电子开始移动或振荡。这增强了光线，将金纳米粒子变成了明亮的天线。出于这个原因，金上的表面等离子激元经常用于传感应用，并且对能量转换非常感兴趣。

金纳米粒子中的等离子体可以在新定制的超快电子显微镜中使用超快激光进行光激发，同时允许科学家观察单个金纳米粒子。研究人员通过应用他们的新技术研究了两种不同的等离子体现象。

他们首先观察到表面等离激元的弛豫，这是一个经过充分研究的过程。然而，他们的新技术也使他们能够观察到金纳米粒子内部等离子体的变化，即使光只到达纳米粒子的表面。

这是一项技术首次揭示了金纳米粒子内这些等离子体的弛豫过程，这对制备用于能量转换的光捕获材料具有重要意义。新开发的技术应该通过暴露超快光与物质的相互作用来帮助分析潜在的材料。

“通过了解光激发和弛豫过程以及能量传输等现象，我们可以改善光响应特性并提高效率，”Kuwahara解释说。

“特别是，它可以成为一种强大的工具，可以捕捉具有空间分辨率的小型结构材料(例如超过亚微米的材料)的单个时间变化。使用脉冲激光作为探针的传统分析方法很难实现这一点，”他继续。

“我们希望这一成就能够分析光电和热电转换材料及其有助于节能的应用设备。我们的研究应该对光能转换、生物传感器和热电转换设备的开发有用。”

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