科羅拉多大學博爾德分校研發(fā)新型顯微鏡，助力鈣鈦礦材料研究

    2025年3月20日，科羅拉多大學博爾德分校（CUBoulder）的一個研究小組在材料科學領域取得了重大突破，開發(fā)出一種能夠?qū)Σ牧系慕Y(jié)構特征進行空間-光譜-時間超快納米成像的顯微鏡。這一創(chuàng)新技術為科學家們提供了在亞原子、原子和分子水平上可視化材料動態(tài)的有力工具，尤其是在研究鈣鈦礦等復合材料方面具有重要意義。

    一、研究背景

    鈣鈦礦是一類有機-無機混合材料，以其高效將光轉(zhuǎn)化為電能的特性而備受關注。它們能夠有效吸收可見光譜中的某些顏色，并且可以與其他材料（如硅）分層，以吸收鈣鈦礦無法捕獲的波長。然而，鈣鈦礦的光穩(wěn)定性低，且其性能受多種化學成分組合和制備條件的影響，很難預測這些因素如何影響鈣鈦礦電池的結(jié)構和性能。在半導體、顯示器、量子和生物醫(yī)學應用中，許多復合材料都面臨著類似的挑戰(zhàn)。為了改進這些材料，科學家們需要更深入地了解材料在微觀層面的動態(tài)行為。

    二、技術原理與創(chuàng)新

    1.顯微鏡的工作原理

    該顯微鏡配備了金屬涂層納米尖端，位于鈣鈦礦層納米范圍內(nèi)，然后用一系列超短激光脈沖擊中。第一個脈沖激發(fā)可見光中材料中的電子，隨后的紅外脈沖捕捉材料中電子和分子隨時間的運動和相互作用。納米尖端就像激光的天線，將激光聚焦到納米級。研究人員用納米尖端掃描鈣鈦礦層，逐像素地創(chuàng)建材料圖像。由于激光脈沖的時間差異，每個圖像都相當于一個電影幀。

    2.降低噪音的技術

    為了降低噪音，研究人員使用了光放大技術并開發(fā)了一種調(diào)制激光束的方法。正如研究員BrandenEsses所說：“如果你用光照射這個非常小的尖端，返回的光非常弱，因為它只與極少的電子或分子相互作用。它太弱了，你需要特殊的技術來檢測它。”

    3.高精度測量

    研究員RolandWilcken表示，控制光在納米尺度上的聚焦方式以及發(fā)射和檢測方式對于實現(xiàn)制作材料超快電影所需的對比度和信號至關重要。研究人員在飛秒尺度上捕獲了鈣鈦礦中原子和分子運動的超高分辨率圖像，并以非常高的精度測量了分子中的原子運動。光激發(fā)電子和晶格結(jié)構的耦合變化（即極化子）通過超高時空分辨率的光譜診斷，使研究人員能夠更好地了解鈣鈦礦的結(jié)構和成分及其作為光伏材料的性能。

    三、研究發(fā)現(xiàn)與意義

    1.材料無序性與光伏性能的關系

    研究小組的研究結(jié)果表明，材料的無序性越強，光伏性能越好。MarkusRaschke教授指出：“與傳統(tǒng)半導體相比，混合鈣鈦礦中結(jié)構無序性越強似乎會產(chǎn)生更穩(wěn)定的光生電子。”

    2.對光伏材料過程的理解

    據(jù)Raschke介紹，人們對光伏材料吸收陽光后發(fā)生的過程以及激發(fā)電子如何在材料中移動而不分散的了解有限。通過這種顯微鏡，研究人員能夠“制作超快電影”，同時記錄空間、時間和光譜維度，從而更清晰地理解這些過程。

    該團隊希望超快顯微鏡能夠?qū)Σ牧峡茖W家提高計算、能源和醫(yī)療應用的新半導體和量子材料性能的能力產(chǎn)生重大影響。正如肖恩·沙欣教授所說：“這是一種在非常基本的層面上檢查材料特性的方法，這樣我們未來就能以更直接的方式設計具有某些特性的材料。”研究人員可以基于顯微鏡的發(fā)現(xiàn)，告知材料合成合作伙伴如何制造具有特定性能的材料，例如產(chǎn)生與光伏性能相關的更長壽命的電子激發(fā)的結(jié)構。

    這項研究發(fā)表在《科學進展》上，標志著在材料科學領域的一個重要進步，為未來開發(fā)更高效、更穩(wěn)定的光伏材料和其他復合材料提供了新的思路和工具。