研究人员利用金膜从表面窃取秘密

ETH研究人员利用一种特殊的薄金膜，大大简化了表面研究。这种膜可以测量常规方法无法测量的表面特性。

“表面是魔发明的”——这句话出自理论物理学家沃尔夫冈·泡利之口，他在苏黎世联邦理工学院任教多年，并于1945年因其在量子力学方面的贡献而获得诺贝尔物理学奖。研究人员确实在与表面作斗争。一方面，它们在生物和无生命的自然界中都极其重要，但另一方面，用传统方法研究它们可能极其困难。

由苏黎世联邦理工学院光子学教授LukasNovotny领导的材料科学家和电气工程师跨学科团队与柏林洪堡大学的同事共同开发出了一种方法，将使未来表面表征变得更加容易。

他们最近在科学期刊《自然通讯》上发表了基于极薄金膜的研究成果。

表面对于功能很重要

“无论我们处理的是催化剂、太阳能电池还是电池，表面对于它们的功能总是极为相关的，”材料科学前博士生、该论文的第一作者RomanWyss说道，他现在在ETH衍生公司Enantios担任研究员。

之所以如此重要，是因为重要的过程通常发生在界面处。对于催化剂来说，这些过程是在其表面加速的化学反应。在电池中，电极的表面特性对其效率和降解行为至关重要。

多年来，研究人员一直使用拉曼光谱法以非破坏性方式检查材料特性，即在检查过程中不会破坏材料。在拉曼光谱法中，激光束被发射到材料上，然后分析反射光。

根据反射光的特性(其频谱因材料中分子的振动而改变)，人们可以得出有关所考虑物体的化学成分(也称为化学指纹)以及应变等机械效应的结论。

带有微小孔隙的金膜

“这是一种非常有效的方法，但它只能应用于具有很强局限性的表面，”SebastianHeeg说道，他曾作为LukasNovotny团队的博士后参与了这项实验，现在领导着洪堡大学的一个初级研究小组。

由于在拉曼光谱中，激光可以穿透材料几微米，因此频谱主要受材料本体的影响，而受其表面(仅由几个原子层组成)的影响则很小。

为了将拉曼光谱技术应用于表面，ETH的研究人员开发了一种特殊的金膜，这种膜厚度仅为20纳米，且包含约100纳米大小的细长孔隙。

当这种膜被转移到要研究的表面上时，会发生两件事。首先，膜会阻止激光束穿透材料体积。其次，在孔隙的位置，激光被集中并重新辐射到表面仅几纳米的地方。

千倍信号放大

Heeg表示：“这些孔隙充当所谓的等离子体天线，就像手机中的天线一样。”与没有膜的传统拉曼光谱信号相比，天线可将来自表面的拉曼信号放大多达一千倍。Heeg和他的同事能够在多种材料上证明这一点，包括应变硅和钙钛矿晶体镧镍氧化物(LaNiO3)。

应变硅对于量子技术应用非常重要，但到目前为止还无法使用拉曼光谱探测应变，因为表面产生的信号被测量的背景噪声所掩盖。

涂上金膜后，应变信号被选择性放大，直到可以清楚地与材料的其他拉曼信号区分开来。

另一方面，金属钙钛矿镧镍氧化物是生产电极的重要材料。

“其晶体结构和电导率之间的强耦合使得可以通过改变纳米级电极厚度来控制电导率。人们推测，表面结构在这里起着至关重要的作用，”MadsWeber说，他曾是苏黎世联邦理工学院的博士后，现在是勒芒大学的助理教授，他研究这类材料，也参与了这项研究。

得益于新的金膜方法，研究人员现在首次能够获得镧镍氧化物的表面结构。

Heeg说：“从可持续性的角度来看，我们的方法也很有趣，因为现有的拉曼设备无需付出太多努力就可以获得全新的功能。”

未来，研究人员希望进一步改进他们的方法，使其适应用户的需求。例如，目前金膜上的孔径大小不一，方向随机。

通过生产具有相同尺寸且平行排列的孔的金膜，该方法可针对特定材料进行优化，从而将拉曼信号强度再提高一百倍。