分子尺度上的定向等離子體激發

2020-10-18 博科園

NUS科學家已經開發了一種方法，用於在分子度尺度上用電驅動源定向激發等離子激元。利用光子裝置傳輸信息的速度比納米電子系統快得多，然而，裝置尺寸往往要大得多，難以與納米電子系統集成。等離子體學涉及研究光與帶電粒子（如金屬中的電子）之間的相互作用，有可能彌合納米電子學和光子學之間的差距。一個重要的方面是：具有可以直接將電信號轉換為等離子體的激振源，以克服小納米電子器件和大光子元件之間的尺寸不匹配，這種「失配」受到大尺寸光子的限制。

等離子激元可以被視為受限光，比光子小100倍，具有與納米電子學兼容的尺寸，還有希望能夠控制等離子激元的激發方向，以便引導匹配更多組件，以減少對光學元件的需要。由NUS化學系Christian A.Nijhuis教授領導的研究團隊，與來自科學、技術和研究機構（IMRE）材料研究和工程研究所的Nikodem Tomczak博士合作研究發現，分子（雙勢壘）結中表面等離子體激元(SPP)的激發方向，可以通過調節分子對電極表面的傾斜角來控制。這些SPP是像光子元件一樣起作用的光波，以高速攜帶信息。

研究人員能夠在不使用大型光學元件的情況下，沿隧道方向激發等離子激元，這可能會在器件的設計和製造中造成複雜的情況。雙勢壘分子結由單層分子組成，由兩個部分組成，一個高導電單元和一個絕緣部分。分子被夾在兩個金屬電極之間。通過改變絕緣段的長度，可以精確地控制電子沿著其有效隧穿的導電段傾斜角。與傳統金屬氧化物隧道勢壘不同，這些分子雙勢壘結中的隧穿方向可以精確控制。而且這些結果很有趣，因為等離子體激元源不受衍射限制，證明了在分子長度範圍內等離子體激元的操縱。

而不需要使用大型光學元件，如天線或外部光源。這些結果為隧道結中的光和物質相互作用提供了新見解，並且是將隧道結與等離子體波導集成的重要下一步。電學技術對表面等離子體激元(SPPs)的定向激發，對於等離子體與分子電子學的集成或對其他元件的引導信號非常重要。研究基於量子力學隧穿分子雙勢壘結的電驅動等離子體激元，其中隧穿路徑是由分子的化學結構，以及相對於表面法線的傾斜角而定義。S(CH2)nBPh在Au上的自組裝單分子膜，其中烷基鏈和BPH單元串聯定義了兩個不同的隧道勢壘，用於演示和控制幾何效應。

BPH單元相對於曲面法線的傾斜角度取決於n的值，當n為偶數時為45°，n為奇數時為23°。烷基鏈的傾斜角固定在30°，與n無關。對於n=1-3的值，通過BPH單元定向隧道定向發射SPP。對於n>3的值，沿烷基鏈的隧穿作用主導了SPP激發。在不需要額外的片上光學元件(例如天線)或外部元件(例如光源)情況下實現定向發射SPP的分子水平控制。利用分子隧道結，該研究首次提供了分子雙勢壘隧道結的直接實驗演示。

博科園｜研究/來自：新加坡國立大學

參考期刊《納米快報》

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01665

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 物理所納米尺度上等離子激元傳輸研究取得新進展
    最近，人們發現可以利用光子激發金屬自由電子氣的集體振蕩，即等離子激元，從而突破光的衍射極限，實現在納米尺度上對光的操縱，這為光學元器件和晶片小型化帶來了曙光。最近對等離子激元的研究迅速發展成國際上的一個新興熱點研究領域：Plasmonics。
  • 等離子體使分子世界變得更加清晰
    某些彩色玻璃窗因一種叫做等離子體的現象而賞心悅目。當光照射到金屬上時，表面上的電子會以等離子體激元的形式振蕩，等離子體激元吸收並反射特定波長的光。在彩色玻璃中，光被嵌入的金屬納米顆粒散射。科學家們現在已經為這種效果建立了一個應用程式庫。
  • 在掃描隧道顯微鏡下,操縱納米尺度光?
    利用聚焦離子束技術，通過對金針尖的納米化處理，實現了掃描隧道顯微鏡結中納米尺度光的操縱。德國柏林Fritz-Haber研究所的研究人員證明，納米級等離子體結中的納米光光譜可以用等離子體法布裡-珀羅尖端調製。納米光學的精確控制對於研究納米材料和單分子結構、動力學和光電子特性具有重要的意義。
  • 低溫等離子體形成過程及發生技術
    1.低溫等離子體形成過程低溫等離子體在形成過程中，其電子能量可達到1～20eV(11600～250000K)，因此，其具有較高的化學反應活性。低溫等離子體在殘餘化學反應的過程從時間尺度可分為以下幾個過程，對應的示意圖見圖9-2。①第一步是皮秒級的電子躍遷，電子從基態躍遷到激發態。
  • 金屬納米結構的表面等離子體光學研究獲得系列進展
    金屬納米結構的表面等離子體光學在光催化、納米集成光子學、光學傳感、生物標記、醫學成像、太陽能電池，以及表面增強拉曼光譜(SERS)等領域有廣泛的應用前景，這些功能和金屬納米結構與光相互作用時產生的表面等離子體共振密切相關。
  • 什麼是等離子體?火焰是等離子體嗎?
    等離子體並不神秘。氣體通常都是由分子或原子構成的，而等離子體就是被電離（電離就是原子得到或者失去核外電子形成離子的一種過程，離子都帶電）的氣體。幾乎所有氣體都存在一定程度的電離，只是電離程度極低，因此並不能算作等離子體。並且物體要稱之為等離子體，還需要具備等離子體所具備的特性，比如存在等離子體振蕩、會受電磁場影響等。
  • 新湍流輸運模型展示加熱等離子體多尺度波動—新聞—科學網
    由通用原子公司運行的美國能源部科學辦公室所屬用戶設施——DIII-D國家聚變裝置的研究人員，利用物理性能降低的等離子體湍流流體模型解釋了託卡馬克試驗中意想不到的密度輪廓性質
  • 物理所等單分子尺度上基本物理化學過程研究獲新成果
    作為物質的基本構成單元，分子一直以來都是科學研究的重要對象。對於分子的基本物理化學性質的研究，更是人們認識分子、利用分子的基本前提。傳統的分子性質研究手段，往往得到的是大量分子的平均效應，例如用光譜的方法研究分子振動。更加深入、全面地認識分子，要求能夠在充分了解分子所處局域環境的前提下，在單分子尺度上，以精確可控的方式開展研究。
  • 等離子清洗機的等離子體都包含哪些基本粒子?
    我們知道等離子清洗機產生的等離子體屬於弱電離的狀態，所以低溫等離子體放電過程一般存在著六種基本粒子：光子、電子、基態原子(或分子)、激發態原子(或分子)以及正離子和負離子。1 光子和電子不具備內部結構，光子的能量決定於它的頻率v。
  • 生物物理所研製出分子尺度解析度幹涉定位顯微鏡
    該工作提出了一種基於雷射幹涉條紋定位成像的新技術，並據此研製出新型單分子幹涉定位顯微鏡（Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE），將螢光顯微鏡解析度提升至3 nm以內的分子尺度，單分子定位精度接近1 nm，可以分辨點距為5 nm的DNA origami（DNA 摺紙）結構。
  • 一起來揭開等離子體的神秘面紗
    圖1、等離子體等離子體是經氣體電離產生的由大量帶電粒子離子、電子和中性粒子原子、分子所組成的體系，因這種氣體的正電荷總數與負電荷總數在數值上相等，故稱為等離子體。不過等離子體還有一個更霸氣的名字-物質的第四態。當物質的溫度從低到高變化時，物質將依次經歷固體、液體和氣體三種狀態；當溫度進一步升高時，氣體中的原子、分子將出現電離狀態，形成電子、離子組成的體系，這種體系是區別於固體、液體和氣體的另一種物質存在狀態，故又稱為物質的第四態。1928年美國科學家Langumiur第一次將物質的這種存在狀態命名為等離子體態（Plasma）。
  • 低溫等離子體及協同催化降解VOCs研究進展
    目前，工業和農業上排放的有機廢氣(VOC)是重要的大氣汙染源之一，會對人體造成慢性損壞甚至中毒危及生命。定義沸點溫度介於50～260℃的各種有機化合物的集合稱之為揮發性有機物(VOC)。在於石化、汽車噴塗、印刷等領域VOC給生產帶來了很大的環境問題。目前已鑑定出的有300多種，最常見的有苯、苯乙烯、丙二醇、甘烷、酚、甲苯、乙苯、甲醛等。
  • 等離子發生器等離子體概述
    但在一定條件下， 如加熱、 放電等，氣體分子會發生解離、電離等過程，當產生的帶電粒子密度達到一定數 值時，物質狀態就會出現新的變化，這時的電離氣體已經不再是原來的氣體了， 人們把這時的狀態稱為等離子體態。1.1.1 等離子發生器等離子體定義什麼是等離子發生器的等離子體？
  • 進展|利用選擇性振動激發實現單分子解離反應的動力學研究
    如何選擇性地控制分子的解離反應即化學鍵斷裂是從化學反應到分子器件等諸多領域的核心問題。表面單個分子化學反應包括分子在表面的運動、化學鍵斷裂等，都與分子的不同激發態直接相關。掃描隧道顯微鏡技術可以直接將非彈性隧穿電子注入到表面單個分子的電子激發態和振動激發態，並通過控制非彈性隧穿電子的能量和注入位置，實現單分子在表面的選擇性激發，同時具有原子級的空間解析度和高能量解析度，是研究表面單分子解離反應的理想手段。
  • 高達20攝氏度的溫差，實現在納米尺度上，控制熱量分布！
    在人類這種尺度上，控制溫度是一個簡單的概念，如海龜曬太陽來保暖。要冷卻剛出爐的蛋糕，只需把蛋糕放在室溫的工作檯上。然而在納米級（距離不到人類頭髮最薄寬度的百分之一）控制溫度要困難得多。納米尺度的距離是如此之小，以至於物體很容易變得熱耦合：如果一個物體升溫到一定的溫度，它的鄰居也會升溫。
  • 微波等離子體技術可以應用範圍與優勢分析
    表面波等離子體系統【表面波等離子體工作氣壓條件通常為2-200pa，其典型特點是微波無法進入等離子體區域內部，只能在沿著等離子體表面傳輸過程中激發高密度的等離子體】2、微波等離子體應用於材料沉積（MPCVD）微波等離子體化學氣相沉積是基於微波在反應區域內激發輝光放電的過程，裝置無極放電特點很好地避免了材料沉積過程中電極汙染的問題，使得設備運行穩定且沉積薄膜質量較高。
  • 微波等離子體技術可應用範圍與優勢分析
    表面波等離子體系統【表面波等離子體工作氣壓條件通常為2-200pa，其典型特點是微波無法進入等離子體區域內部，只能在沿著等離子體表面傳輸過程中激發高密度的等離子體】2、微波等離子體應用於材料沉積（MPCVD）微波等離子體化學氣相沉積是基於微波在反應區域內激發輝光放電的過程，裝置無極放電特點很好地避免了材料沉積過程中電極汙染的問題，使得設備運行穩定且沉積薄膜質量較高。
  • 低溫等離子體技術及其在VOCs處理中的應用
    2低溫等離子體技術及其應用2.1定義及其特點等離子體是指電離度大於0.1%,且其正負電荷相等的電離氣體。它是由大量的電子、離子、中性原子、激發態原子、光子和自由基等組成,電子和正離子的電荷數相等,整體表現出電中性,它不同與物質的3態(固態、液態和氣態),是物質存在的第四形態。
  • 等離子體基礎知識介紹
    一、什麼是等離子體（plasma）？ 等離子（plasma）是除固體、液體、氣體之外的第四種物質狀態，主要是由氣體在高電磁場作用下發生解離，形成一種包括電子（帶負電），正離子（帶正電），自由基和中性氣體分子組成的高活性物質，通產情況下會發光，一般情況下，等離子中的正電荷數等於負電荷數，所以整體呈電中性（Quasi-neutral）。
  • 等離子體表面處理器增加表面粘力的原因有哪些？
    等離子體表面處理器是一種低溫等離子體，它是由低壓放電(輝光、電暈、高頻和微波)產生的電離氣體。在電場作用下，氣體中的自由電子從電場中獲得能量，成為高能電子。這些高能電子與氣體中的分子和原子發生碰撞。