能源部SLAC加速器实验室的研究人员观察到纳米级半导体晶体随着强大的激光脉冲而膨胀和收缩。这种超快的“呼吸”提供了关于这些微小结构在开始融化时如何改变形状的新见解 – 这些信息可以帮助指导研究人员定制其用于各种应用的用途。
在使用SLAC的Linac相干光源(LCLS)X射线激光器(能源部科学用户设施办公室)的实验中，研究人员首先将纳米晶体暴露在一束激光中，然后紧接着一个超亮的X射线脉冲，记录了由此产生的结果。熔化开始时原子级细节的结构变化。
“这是我们第一次能够测量这些超小材料在受到限制时如何反应的细节，”负责该实验的SLAC和斯坦福大学助理教授Aaron Lindenberg说。结果于3月12日在Nature Communications上发表。
了解量子点
在SLAC研究的晶体被称为“量子点”，因为它们在纳米尺度上显示出独特的特性，这些特性无法在较大尺度上控制其属性的经典物理学。例如，可以通过改变它们的尺寸和形状来调整晶体以发出特定颜色的光。
因此，科学家们已经致力于将它们整合到太阳能电池板中，以提高效率并在计算机显示器中提高分辨率，同时消耗更少的电池电 还研究了这些材料在电池和燃料电池中的潜在用途以及用于靶向药物递送。
科学家们还发现，这些和其他可能含有数十或数百个原子的纳米材料比相同材料的大部分材料具有更强的抗损伤性，因为它们在最小的尺度上表现出更完美的晶体结构。例如，这种性质可证明在电池组件中是有用的，因为较小的颗粒在降解之前可能比较大的颗粒能够承受更多的充电循环。
微小球体和纳米线的“呼吸”中的惊喜
在LCLS实验中，研究人员研究了由硫化镉和硒化镉制成的球体和纳米线，这些球体和纳米线仅为3到5纳米，或十亿分之一米。纳米线长达25纳米。相比之下，氨基酸 – 蛋白质的构建模块 – 长度约为1纳米，单个原子的测量值为十分之一纳米。
通过用X射线脉冲检查来自许多不同角度的纳米晶体，研究人员重建了它们在用光学激光脉冲击中时如何改变形状。他们惊讶地发现球体和纳米线的宽度扩大了约1%，然后在飞秒或千万亿分之一秒内快速收缩。他们还发现纳米线的长度不会扩大，并且表明晶体对应变的响应方式与它们的结构如何融化有关。
在另一项早期的独立研究中，另一组研究人员使用LCLS探索较大金颗粒对较长时间尺度的响应。
“未来，我们希望将这些实验扩展到更复杂和技术相关的纳米结构，并在运行时对纳米级器件进行X射线探测，”Lindenberg说。“了解材料在应变下如何变化可以与模拟一起使用来设计具有新颖性能的新材料。”
