納米LED在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中的潛在應(yīng)用

基于液相無機(jī)納米晶體的發(fā)光二極管(LED)因?yàn)榱畠r(jià)且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)診斷中，但由于難以實(shí)現(xiàn)紫外線發(fā)射，其研究一直未取得大的突破。

日前，美國洛斯阿莫斯國家實(shí)驗(yàn)室Sergio Brovelli研究組與意大利米蘭比可卡大學(xué)Alberto Paleari研究組合作，開發(fā)出一種嵌入半導(dǎo)體納米粒子的玻璃基無機(jī)LED。在這種設(shè)備中，二氧化錫納米顆粒被包裹在一氧化錫里，并嵌入玻璃材料，玻璃基材料能在紫外光譜中發(fā)光，并集成到芯片上。通過調(diào)整納米顆粒外殼的厚度就可以控制整個(gè)材料的電響應(yīng)。這種設(shè)備結(jié)合了玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性與機(jī)械穩(wěn)定性，并具有導(dǎo)電性與電致發(fā)光性能，因此可以在惡劣的環(huán)境下使用(如浸泡在生理溶液中或直接植入人體)，并有望用于制造生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

相關(guān)研究工作發(fā)表在Nature Communications上(文章標(biāo)題:Fully inorganic oxide-in-oxide ultraviolet nanocrystal light emitting devices)。

用單光子實(shí)現(xiàn)兩單分子間通訊

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和德國馬克斯·普朗克研究所的科學(xué)家用單個(gè)光子激發(fā)單個(gè)分子，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)單分子間的信號(hào)傳送。在實(shí)驗(yàn)中，可讓單個(gè)分子模擬光頻，將單光子流傳遞給相距數(shù)米的另一個(gè)分子，如同兩個(gè)站點(diǎn)之間的無線電通訊。這為開展以單光子作為量子信息載體，由單個(gè)發(fā)射器進(jìn)行信息處理的進(jìn)一步研究鋪平了道路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

過去20年，科學(xué)家已證明能探測(cè)到單個(gè)分子，也能生成單光子。然而，單個(gè)分子發(fā)現(xiàn)并吸收單光子的幾率很低，由光子激發(fā)分子仍難以捉摸，因而通常需要每秒釋放數(shù)十億光子來轟擊分子，才能從中獲得一個(gè)信號(hào)。規(guī)避這一物理學(xué)難題的一般方式是在原子周圍構(gòu)建一個(gè)腔洞，使光子能夠長久囚禁其中，從而保持兩者良好的互動(dòng)幾率。

此次實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)之一，是獲取具有適當(dāng)頻率和帶寬的單光子來源?？蒲行〗M利用了一個(gè)事實(shí):當(dāng)一個(gè)原子或分子吸收單光子時(shí)，它將過渡到激發(fā)態(tài)。在幾納秒后，激發(fā)態(tài)將衰變?yōu)樽畛醯幕鶓B(tài)，并放射出單個(gè)光子。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將兩個(gè)嵌入有機(jī)晶體之中的熒光分子樣本冷卻至－272℃。每個(gè)樣本中的單個(gè)分子都能由光譜選擇結(jié)合空間。為了生成單光子，單個(gè)分子將從“源頭”樣本中激發(fā)而出。當(dāng)分子的激發(fā)態(tài)衰變時(shí)，放射出的光子將緊緊聚集于距離幾米之外的另一個(gè)“目標(biāo)”樣本之上。為了保證樣本中的單個(gè)分子能夠“看到”入射的光子，研究小組必須保證它們處于同一頻率。此外，珍貴的單光子也需要與單個(gè)目標(biāo)分子進(jìn)行有效互動(dòng)。

科學(xué)家表示，這是兩個(gè)量子光學(xué)天線之間長距離通訊的首個(gè)例子。單個(gè)分子一般大小為1 nm，而聚集的光束卻不能小于數(shù)百納米。這通常意味著大多數(shù)的入射光都會(huì)環(huán)繞分子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而無需“看見”對(duì)方。然而，如果入射光子與分子的量子力學(xué)過渡產(chǎn)生共鳴，在這個(gè)過程中，分子可像天線一般發(fā)揮作用，抓住其附近的光波。

科學(xué)家實(shí)現(xiàn)快速操控光的量子狀態(tài)

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，科學(xué)家一直希望用光子代替電子實(shí)現(xiàn)更快捷安全的光通訊，現(xiàn)在，科學(xué)家們成功證明，他們能更快速地(在幾納秒內(nèi))控制與目前光通訊網(wǎng)絡(luò)中所用光波波長一樣的光子路徑和偏振，新光子電路可整合進(jìn)現(xiàn)有的光通訊網(wǎng)絡(luò)中，從而顯著改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能。最新研究朝實(shí)現(xiàn)光量子通訊邁近了一步。

英國布里斯托大學(xué)、赫瑞瓦特大學(xué)、荷蘭卡弗里納米科學(xué)研究所的科學(xué)家們將這項(xiàng)快速控制單光子路徑和偏振的研究發(fā)表在最新一期《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

他們?cè)趯?duì)一個(gè)由電路組成的量子光學(xué)設(shè)備進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)光子會(huì)移動(dòng)穿過這些電路，這些電路也能被重新配置從而改變光子路徑和偏振方向。然而，這種量子光學(xué)電路無法快速操縱單光子和多光子的狀態(tài)。為了解決這一問題，他們使用了可在現(xiàn)有通訊調(diào)制器中進(jìn)行快速操縱的鈮酸鋰波導(dǎo)，并證明對(duì)電極附近的波導(dǎo)施加電壓能快速操控由波長為1550 nm的一個(gè)或兩個(gè)光子組成的光的量子(包括路徑和偏振)狀態(tài)，該波長正是現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)中采用的波長。

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的布里斯托大學(xué)的達(dá)米恩·博諾表示:“在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們演示了兩種電路配置，每種電路配置都會(huì)導(dǎo)致不同的量子狀態(tài)，一次配置僅需幾納秒，而在以前的實(shí)驗(yàn)中，每幾秒才能對(duì)電路進(jìn)行一次重新配置。現(xiàn)在的通訊網(wǎng)每天都在使用由同樣技術(shù)制成的開關(guān)來傳遞由光脈沖編碼的信息字節(jié)，從原理上來講，這樣的開關(guān)也能用于單光子層面?！?/p>

博諾表示:“迄今為止，在芯片上操縱光的量子狀態(tài)一直依靠加熱器，其能作為慢速移相器來使用。最新研究表明，鈮酸鋰波導(dǎo)能采用一種與以前迥然不同的方法來更快速地操控光的量子狀態(tài)。現(xiàn)在，我們不僅能打開和關(guān)閉光包以便按規(guī)定路線發(fā)送傳統(tǒng)信息，也能夠快速處理和操縱光的量子狀態(tài)。”

科學(xué)家們指出，能在單個(gè)平臺(tái)上快速控制單光子的偏振和路徑對(duì)基礎(chǔ)量子科學(xué)和量子技術(shù)來說至關(guān)重要。博諾表示，制造這些設(shè)備的鈮酸鋰材料也能隨機(jī)產(chǎn)生光子，另外，具有超導(dǎo)性的單光子探測(cè)器也能被整合在這樣的芯片上。一個(gè)結(jié)合了能隨機(jī)產(chǎn)生光子的光源、電路以及探測(cè)器的技術(shù)平臺(tái)可用于以下幾方面:通過對(duì)幾個(gè)光子來源進(jìn)行多路傳輸從而獲得可靠的單光子源、長距離量子通訊需要使用的量子繼電器、量子密碼學(xué)中用到的量子密鑰分配等。

以前有些老式收音機(jī)使用電子管，每次工作前都要預(yù)熱。隨著晶體管的應(yīng)用，預(yù)熱時(shí)間就被節(jié)省下來了。如今，光量子調(diào)制設(shè)備領(lǐng)域也出現(xiàn)了類似的進(jìn)步——以前用加熱器，幾秒鐘才能重新配置電路，現(xiàn)在幾納秒就可以切換到另一個(gè)電路。使用鈮酸鋰材料作波導(dǎo)設(shè)備，在調(diào)制解調(diào)器時(shí)代是很平常的技術(shù)手段。但誰能想到，平平無奇的光電轉(zhuǎn)化設(shè)備稍加變化，可以幫助最前沿的光量子通訊研究取得突破?現(xiàn)在隨著光源、電路和探測(cè)器整合到一起，量子通訊研究者的工作量可以減輕不少了。一種采用金屬鎢或鉭制造可耐受1200℃高溫的光子晶體途徑。這種材料可廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、紅外化學(xué)探測(cè)器和傳感器、深度探索太空的宇宙飛船等供電裝置。相關(guān)論文刊登在最新一期的美國《國家科學(xué)院院刊》上。

光子晶體指能對(duì)光作出反應(yīng)的特殊晶格，是可影響光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)，類似于半導(dǎo)體晶體對(duì)于電子行為的影響。其晶格尺寸與光波的波長相當(dāng)，是不同折射率的電介質(zhì)材料在空間呈周期性排列構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)。

耐上千攝氏度高溫的光子晶體問世

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，美國麻省理工學(xué)院(MIT)的一個(gè)研究小組找到了

MIT軍用納米技術(shù)研究所工程師賽拉諾維奇表示，幾乎完全可以采用標(biāo)準(zhǔn)的微細(xì)加工技術(shù)和現(xiàn)有設(shè)備將這種新型耐高溫二維光子晶體制造成計(jì)算機(jī)芯片。與早期制造的高溫光子晶體的方法相比，采用新方法制造出的材料具有“性能好、操作簡單、堅(jiān)固耐用”等特點(diǎn)，適合低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。

因?yàn)檫@種材料具有為深度探索太空提供永續(xù)動(dòng)力的潛力，美國國家航空航天局也對(duì)其很感興趣。完成這樣的任務(wù)通常利用少量的放射性物質(zhì)的能量，采用放射性同位素?zé)犭娫?RTG)。例如，計(jì)劃在今年夏天抵達(dá)火星的“好奇”號(hào)探測(cè)器使用的就是RTG系統(tǒng)，它可以連續(xù)不間斷作業(yè)多年，而不像太陽能供電站，到了冬天就會(huì)出現(xiàn)發(fā)電不足的情況。

這種耐高溫光子晶體應(yīng)用前景十分廣闊，可用于太陽能光熱轉(zhuǎn)換或太陽能光化學(xué)轉(zhuǎn)換裝置、放射性同位素的供電設(shè)備、氮?dú)浠衔锇l(fā)電機(jī)或工業(yè)領(lǐng)域電廠余熱回收的配套設(shè)施等。但制造這種材料還存在許多障礙，如高溫會(huì)導(dǎo)致晶體蒸發(fā)、擴(kuò)散、腐蝕、開裂、熔化或快速化學(xué)反應(yīng)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，MIT的研究小組正在對(duì)高純度的鎢在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行精密的幾何設(shè)計(jì)，以避免材料在被加熱時(shí)損壞。

該材料還可以取代電池，為便攜式電子設(shè)備有效供電，采用丁烷作燃料運(yùn)行熱光生電機(jī)產(chǎn)生能量，作業(yè)時(shí)間比電池長10倍。裝置，其潛在應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樯锕こ痰龋部赡軕?yīng)用于微光學(xué)。

由水凝膠片材制成的盤狀凝膠可形成各種表面

三維微結(jié)構(gòu)的光致彎曲

美國麻省阿默斯特大學(xué)RyanHayward和Christian Santangelo研究小組的研究人員證明，利用半色調(diào)凝膠光刻法和紫外線，通過光轉(zhuǎn)移可以將網(wǎng)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到平直的聚合物凝膠片上。凝膠隨著溫度的變化而膨脹、收縮。被轉(zhuǎn)移的網(wǎng)點(diǎn)改變了溶脹量，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，而內(nèi)部應(yīng)力又在材料向膠片平面外彎曲的過程中減弱(見《科學(xué)》第335期，2012年1月)。因此可以用這種技術(shù)來制造多種形變

聚合物凝膠能像海綿一樣吸水，然后根據(jù)溫度的變化而膨脹或收縮。但此類物質(zhì)的溶脹能力取決于聚合物的交聯(lián)程度，而聚合物的交聯(lián)程度又取決于使聚合物曝露于其中的紫外線強(qiáng)度。

為了形成聚合物凝膠譜圖，該研究小組采用了兩個(gè)光罩以及類似于常見印刷方法的紫外線光刻法，這里稱其為半色調(diào)法。印刷人員們利用半色調(diào)法，通過不同尺寸的點(diǎn)打印形成了多個(gè)單色光影。點(diǎn)越小，顯示的白色背景越多，并在點(diǎn)和非打印區(qū)融合的距離處形成均勻的淺光影。如果點(diǎn)較大，則會(huì)形成暗光影區(qū)。

為實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的應(yīng)用，研究人員采用紫外線強(qiáng)度較低的第一個(gè)光罩(在365 nm時(shí)為0.2 J/cm2)確定了潛在溶脹量較高的區(qū)域，使聚合物膠化，從而得到了一種可膨脹至相當(dāng)于干性狀態(tài)時(shí)大約8倍尺寸的材料。

第二個(gè)光罩確定了聚合物廣泛交聯(lián)的光點(diǎn)圖，其將材料的潛在溶脹量限制在僅為干性狀態(tài)時(shí)約兩倍的尺寸。當(dāng)膠片溶脹時(shí)，這兩個(gè)區(qū)域之間的溶脹量差在膠片內(nèi)形成應(yīng)力—為緩解應(yīng)力，膠片開始彎曲。只要點(diǎn)比膜較厚的情況下大幾倍，膠片就會(huì)表現(xiàn)得像均質(zhì)彈性材料一樣，從而得到平滑的曲線。這個(gè)研究小組的一部分工作就是研究膜厚、點(diǎn)徑和點(diǎn)距與所形成的曲面之間的相關(guān)性。研究人員寫道，“有了合適的半色調(diào)光致抗蝕圖，就能實(shí)現(xiàn)幾乎任何一種三維形狀”。

這種方法雖然簡單，但其形成三維立體形狀的潛能還沒有被完全開發(fā)出來?，F(xiàn)在該研究小組仍在研究溶脹及消溶脹動(dòng)力學(xué)。

他們展示了實(shí)現(xiàn)的錐形、軸對(duì)稱形狀以及非軸對(duì)稱形狀。該小組已考慮將這種材料用于微光學(xué)。圣安杰洛說，“其中所涉及到的基本原理都是很普遍的，因此一旦一個(gè)人有了合適的材料和工藝，就可以利用這些基本原理來進(jìn)行透鏡成型”。海沃德補(bǔ)充道，“這種方法可以用于可調(diào)微透鏡陣列”。目前，該研究小組正在忙于考慮更基本的問題，即如何實(shí)現(xiàn)膜成型。