盡管光學衍射極限極大地限制了納米結(jié)構(gòu)的光學方法制備，但是這方面的努力和進步一直都沒有停止過。在這樣的進程中超快激光起到了重要的作用，“用超快制備超小結(jié)構(gòu)”成為其特色。目前這方面的努力大致可以分成三類：(1)光束聚焦時以光子作為輔助，即非線性光學效應;(2)光束聚焦時以金屬探針針尖作為輔助;(3)光束聚焦時以原子分子作為輔助。總的看來，作為輔助的光子、探針針尖、原子分子等，它們的尺度越來越小，相應能夠制備的納米結(jié)構(gòu)的尺寸也越來越小。飛秒超快激光液體中燒蝕法屬于第(3)類，此前國際上雖然工作眾多，但是制備出的結(jié)構(gòu)多為平庸的納米顆粒，很少有非球形的納米結(jié)構(gòu)的報道。
中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)的表面物理國家重點實驗室趙繼民副研究員在進行表面及納米體系的超快光學研究中，采用上述方法制備銀納米結(jié)構(gòu)，在觀測到個別非球形納米結(jié)構(gòu)之后，改進了國際上現(xiàn)有的方法，研究和改變了各種復雜的實驗條件以求制備出較小尺寸的銀納米孔。他與表面物理國家重點實驗室孟勝研究員一起，細致分析了實驗中觀察到的超小銀納米孔形成的微觀物理機制，并基于密度泛函理論構(gòu)造了納米孔形成的分子層次模型，揭示了其中包覆劑分子如何起到關(guān)鍵作用;并與先進材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室楊槐馨研究員、納米物理與器件實驗室徐紅星研究員等通力合作，進行了大量的實驗表征和探索，制備出的納米孔達到直徑為2.3nm，深度為3nm。
更進一步，研究人員通過改變分子大小實現(xiàn)了改變銀納米孔直徑的大小，制備出直徑1.6nm的銀納米孔，印證了提出的物理機制的正確性并拓展了應用前景。迄今為止，國際上沒有其它top-down實驗方法可以實現(xiàn)這樣小尺寸的金屬的納米結(jié)構(gòu)。
新方法結(jié)合了飛秒超快激光和化學包覆劑分子的優(yōu)點，其中納米孔的形成基于漸進生長物理機制。超小直徑的單個的銀納米孔可能應用在帶孔洞的金屬覆蓋的近場光學掃描探針、高分辨成像覆蓋掩膜、磁性等離激元共振研究、單孔生物傳感器等領(lǐng)域。以上工作極大地促進了以光學方法制備納米結(jié)構(gòu)的進展。
相關(guān)研究論文發(fā)表在近期的Nano Lett. 11, 3251-3257(2011)上，并獲得了相關(guān)發(fā)明專利。
上述工作得到了基金委、科技部、科學院百人計劃、科學院創(chuàng)新工程的支持。
圖一：銀納米孔的形貌圖及直徑分布圖，白色圓斑為納米孔，黑色部分為銀膜。
圖二：生長形成納米孔的物理機制，中間為放大的圓孔，右邊A→B→C→C→D→E為不同的生長序列階段。
圖三：形成納米孔的分子水平微觀物理機制，左圖為能量極小值，右圖為分子大小與孔直徑關(guān)系。
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