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受色彩鮮豔的鳥類啟發而製造的砷化鎵/砷化銦納米雷射器

2011-10-21

研究人員正在研究鳥類羽毛中兩種納米結構是如何產生出鮮豔且與眾不同的色彩的。

      由Hui Cao率領的來自于耶魯大學應用物理學的團隊已經採用了這些來自自然界的納米技巧生產出新型的雷射器。這些結果將保證鐳射可以通過自然過程而產生。

      圖1:一個東部雄性藍鳥(Sialia sialis,Turdidae)

      自然界中顯示的許多顏色本質上是由納米級別的結構在特定頻率下強烈的光散射而產生的。在某些情況下,這些結構創建了彩虹色,其中,隨著視角的不同顏色也發生改變,就像肥皂泡上不斷變化的彩虹。在另外一些情況下,這些結構產生的色調是穩定不變的。

      獨立於角度的顏色(angle-independent colours)產生的機理為難了科學家將近100年的時間;初看起來,這些穩定的色調似乎是由雜亂無規則的蛋白質產生。但是當研究人員深入觀察這些蛋白質的微小截面時,准有序(quasi-ordered patterns)的模式開始顯現出來。科學家們發現,正是這種短程有序(short-range order)模式增強了光在某些特定頻率的散射,從而產生了獨特的穩定的色調,例如藍鳥羽毛的顏色。

      圖2:來自于東部雄性藍鳥的背部闊羽羽毛倒鉤的SEM圖像。它展示了通道型納米結構的一種蛋白質。(比例尺=500nm)

      受羽毛的啟發,耶魯大學的研究人員採用這種短程有序來控制光線製造出了兩個雷射器。

      其中一個雷射器類比了羽毛中的一種結構:微小球形空氣腔封裝在一個稱為β-角蛋白的蛋白質中。基於這個模型的雷射器由充滿微小氣孔的GaAs膜組成,可以將光子捕獲在某些特定頻率上。在嵌入孔之間的InAs量子點將光放大形成相干光(鐳射特有的標誌)。

      這種雷射器的二維光電非晶態結構最初來源於電腦類比的裝果醬的圓筒。

      將電腦產生的模式傳輸到由砷化鎵層及Al0.75GaO0.25As層構成的薄膜上,而這種薄膜通過分子束磊晶(MBE)的方式生長在GaAs基底上。在砷化鎵層內,由GaAs屏障等距隔開的三個非耦合層(由InAs量子點構成)合成一體。

      通過電子束蝕刻和反應離子蝕刻將氣孔形成的非晶陣列製作在GaAs層中。有選擇地蝕刻掉Al0.75Ga00.25As層,從而在空氣中留下獨立的GaAs膜。科學家組合出不同的結構參數的模式。例如,他們改變圓形氣孔的半徑和相鄰的氣孔之間的平均距離。

      採用一系列互相連接的微小通道,研究人員還建立了一個網路雷射器(network laser),這主要基於他們對羽毛中β-角蛋白中一系列的“蜿蜒曲折的形式”結構的觀察。通過阻礙某些顏色光的傳播允許另一些顏色光的通過,這種網路雷射器發射鐳射。

      圖3:網路雷射器基於羽毛中的通道型納米結構。這種雷射器由GaAs膜中互相連接的納米通道(白色)組成。(比例尺=2µm)

      在這兩種情況下,科學家發現他們可以通過改變納米通道的寬度或者相鄰的納米孔的間距來改變鐳射顏色。

      這些短程有序、仿生結構與傳統雷射器的不同在於,原則上,他們可以通過類似液體中的氣泡形成的自然過程自行產生。這就意味著,工程師不用擔心他們設計的大型結構的材料的納米加工,從而使得雷射器和發光器件的生產更容易、成本更低、生產起來也更快。

      這項工作的一個潛在應用包括更高效的太陽能電池,它們可以在轉換成電子之前捕捉光子。該技術還可以產生耐久的塗料,這種塗料可以用在如化妝品和紡織品的處理過程中。

      作者Hui Cao說:“化工塗料總是會褪色”。但是物理的“塗料”由於納米結構決定了它的顏色永不會改變。Hui Cao介紹了一個她們實驗室剛剛檢測過的40億年前的甲蟲化石,該甲蟲化石具有產生顏色的納米結構,Hui Cao說:“我的眼睛仍然可以看到它的顏色,這真的持續了很長一段時間。”

      這項工作由Hui Cao在聖約瑟召開的光學學會(OSA)的年度會議“Frontiers in Optics (FiO) 2011 ”上報告,演示文稿標題為“仿生光子納米結構和雷射器。”講座時間是2011年10月19日(星期三)。

      這項工作的進一步細節可以參考“ Control of Lasing in Biomimetic Structures with Short-Range Order ” by Noh et al in PhysRevLett 106, 183901 (2011).

      


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