纳米机械探测

具有较大磁致伸缩系数的二维材料是实现自旋电子器件和纳米磁学器件中应变调节磁性的理想体系。因此研究二维材料中应变与磁性的耦合是至关重要的。日前，代尔夫特理工大学（荷兰）、北京大学和瓦伦西亚大学（西班牙）的研究者们在这一研究领域取得了重大进步。在该项研究中，研究者们采用了悬浮的Cr2Ge2Te6（CGT）薄膜层及其异质结构和铁磁纳米机械膜谐振器。通过纳米机械共振探测手段研究了薄膜和异质结的磁性变化与薄膜应变之间的关系。此外作者还展示了通过静电力成功对异质结的居里温度进行了有效调控。该工作于2022年6月发表在nature子刊npj 2D Materials and Applications上，文章题目为《Nanomechanical probing and strain tuning of the Curie temperature in suspended Cr2Ge2Te6-based heterostructures》。该工作中的主要探测手段为在不同温度下通过激光干涉的方式探测CGT薄膜和异质结的共振频率来测量并研究样品的居里温度以及与应变的关系。该测量对于光学恒温器的温度稳定性、变温特性、振动稳定性、窗口的工作距离要求都非常高。该工作中用户使用了Montana Instruments 公司生产的低温光学恒温器完成了本文中的重要测量工作。图：用激光干涉法表征CGT膜；a)光路示意图，样品置于Montana恒温器内；b) 4K温度下样品的共振峰测量值和理论拟合值；c）不同温度下样品共振峰的变化与晶格常数的变化。除了研究CGT薄膜样品外，作者还研究了CGT/WSe2异质结。研究结果表明样品距离温度与共振测量中共振频率有很好的对应关系。这给二维材料磁性探测提供了一个有效的手段。作者制备了CGT/FePS3异质结，该样品在不同温度下具有顺磁/顺磁、反铁磁/顺磁和反铁磁/铁磁的多种磁性结构组合。通过共振测量表明，在不同磁性相变时共振频率都出现了明显的变化，再次证明了采用纳米机械共振探测手段可以准确的反映样品磁性的变化。图：半径r = 2.5 μm的CGT/FePS3(19.8±0.2 nm/18.0±0.1 nm)异质结构膜的力学性能；a) 上：悬浮异质结构膜的横截面示意图，下：CGT/FePS3异质结的光学图像；b) 共振频率与温度的关系，蓝色：实验测量结果，绿色：理论值与误差范围；c) 损耗因数Q-1与温度的关系。作者采用施加栅压，利用异质结与Si衬底之间的静电力实现了对CGT/WSe2异质结居里温度的调控。并通过共振测量的方式研究了居里温度与栅电压之间的关系。图：利用纳米机械共振测量手段对栅压调控的CGT/WSe2异质结居里温度进行了测量。该工作证明了栅静电力应变可以提高CGT薄膜的居里温度，证明了利用应变可以控制这些铁磁异质结构的磁序。该研究展示了一种新的磁性表征手段，在该领域中未来的研究将有可能开发出具有门电压磁驱动的薄膜器件，在低功率自旋电子器件方面具有广阔的应用前景。Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器全球知名光学恒温器制造商Montana Instruments多年来为低温光学、量子信息等领域提供性能的光学恒温器而广受好评。作为低温光学恒温器的旗舰产品，Montana Instruments近推出了全新型号CryoAdvance系列。该系列的目标是助力科技工作者在先进材料和量子信息领域研究研究方面更进一步。 CryoAdvance 50新特色▪ 自动控制：全新智能触摸屏系统，“一键式操作”，实时显示温度、稳定性、真空度等多种指标。▪ 模块化设计：多种配置可选，快速满足各种实验需求，后续升简单。▪ 多通道设计：基本配置已包含光学窗口+直流电学+高频电学通道。▪ 稳定性设计：新设计在变温和振动稳定性上进一步优化。 CryoAdvance 50主要参数▪ 低温度：3.2K▪ 震动稳定性：5 nm（峰-峰值）▪ 降温时间： 300K-4.2K ~2小时▪ 样品腔空间：Φ53 mm ×100 mm▪ 光学窗口：5个光学窗口，可选光纤引入▪ 水平光路高度：140 mm▪ 窗口材料：多种材质可选▪ 基本电学通道：20条直流通道。▪ 接口面板：双RF接口+25DC接口

p style=" line-height: 1.5em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 纳米粒子或病毒分子的灵敏探测技术，对环境监控、医学诊断和防恐安全等诸多领域有明显的实用价值。如，在大气污染物中，相比微米颗粒(PM2.5)，纳米悬浮颗粒可穿透人体肺部细胞和血脑屏障，对健康的威胁更大。而目前，灵敏度最高的光学传感器可检测10纳米的微粒，已逼近理论极限。近日，湖南师范大学教授景辉，提出了一种突破静态腔探测理论极限的新方案，利用旋转环形光学微腔，可使灵敏度达到目前最好的静态腔的3倍，从而探测到更小的纳米颗粒。这一结果日前发表在美国光学学会的旗舰期刊《光学》上。该工作不仅对灵敏探测技术有明显实用价值，也为研究新型旋转腔人工量子器件技术开辟了道路。 br/ /p p style=" line-height: 1.5em " 　　根据光学传感器工作原理，当微粒靠近传感器时会影响其中光的传播，进而影响光输出。通过在输出端探测光学输出的变化，就可实现微小粒子的检测。不过，越小的微粒，引起的光学输出变化越弱，越不容易被探测。目前实验学家已通过抑制光学耗散或减小传感器体积等方法来提高灵敏度，但受光耗散或器件体积不可能无限减小的限制，这些技术方案存在探测的理论极限。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　景辉的这一旋转光学微腔方案，开拓性地提出了利用相对论萨格纳克效应，突破静态光学腔量子探测的理论极限。相对于静止的光学传感器，这种不依赖光学耗散或器件体积，仅依赖机械转速的旋转腔传感器可显著增强微粒对光的影响，放大光学输出的变化，进而突破量子探测理论极限，实现超高灵敏度探测。 /p p br/ /p

p 　　江汉大学曹元成教授团队与英国兰开斯特大学半导体中心首席研究员庄乾东博士团队合作研发新材料，可大幅提高红外探测灵敏度。4月10日，英国自然网站在线发表了他们撰写《基于柔性石墨基板铟砷纳米线红外光探测器》，该文将全文刊登在本月晚些时候出版的《自然》子刊《科学报道》。 /p p 　　曹元成介绍，铟砷纳米线作为高光电转换效率材料，是科学家们研究的主要对象，尤其是基于碳的铟砷一维纳米线，是高集成度光电子集成电路的研究热点。然而，上述材料在制备过程中，晶体结构容易产生缺陷，导致这类材料对光的响应效率低下或者无响应，特别是在中长红外波段方面尤其明显。 /p p 　　曹元成团队在砷化铟中掺入锑元素，合成一种新的锑掺杂砷化铟纳米线，大幅降低了铟砷纳米线的结构缺陷，同时通过锑元素的自我催化功能，显著提升新物质对红外光子的响应性。曹元成说，这种纳米线对光的响应波长，达到了5.1微米，从而涵盖整个中红外光谱，是目前最长的红外波响应纳米线，可应用于室温下高效工作的中波红外、长波红外光电探测器、红外发射器、高灵敏度光电晶体管等等，是制造各种光电子设备的理想材料。 /p p 　　据了解，上述研究应用于实践，比如导弹红外探测和夜视仪，可以在目前的基础上，提高50%探测灵敏度，让现有的大部分防红外伪装失效，民用方面则更加广泛。 /p