阿秒光源在材料领域的应用

21世纪以来,阿秒(attosecond, 1 as=10–18s)技术从诞生逐渐走向快速发展,为我们带来了前所未有的时间分辨(time-resolved)探测能力.以往飞秒(1 fs=10–15s)泵浦-探测(pump-probe)超快光谱技术被广泛应用于材料的超快动力学研究,其脉宽和光子能量可以很好地研究由外层电子决定的材料物性.阿秒技术的出现使我们有可能研究更快的物理过程以及由内层电子决定的物性.本文介绍阿秒瞬态吸收谱(attosecond transient absorption spectroscopy)、阿秒时间分辨角分辨光电子能谱(attosecond time-resolved angular-resolved photoelectron spectroscopy)和中红外超快光谱(mid-infrared ultrafast spectroscopy)等三种超快泵浦-探测技术及其在材料领域的典型应用实例,并对阿秒光源在材料领域的应用前景进行展望.     

飞秒相干反斯托克斯Raman光谱技术与细胞识别的Raman光谱显微探针技术

飞秒相干反斯托克斯Raman光谱技术高分辨率飞秒相干反斯托克斯Raman光谱(CARS)的研究涉及非线性光学、激光光谱学、超快激光技术、量子光学、原子分子物理学及计算机优化控制理论与技术等学科领域。基于超快脉冲激光的整形、放大和压缩技术,利用飞秒整形激光脉冲与特定量子体系相互作用,产生非线性光学相干反斯托克斯Raman光谱(CARS),实现特定Raman模的选择相干抑制或增强,提高了Ra-man光谱的灵敏度、选择性、频谱分辨率和空间分辨率等,可望为材料科学和生物医药等领域的研究提供全新的技术和方法。Raman光谱技术是研究材料、生物医药…     

煤结构的STM和AFM研究

扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)是Binnig等人于80年代研制成功的新型表面分析仪器.它们具有原子级高分辨率,能够用于实时地观察原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质.将STM和AFM用于煤的研究,迄今为止尚未见报道.煤的主体由复杂的高分子化合物组成,结构极不均一.通过成像技术,在无降解的前提     

超快速测量实验方法研究

电子显微镜和扫描隧道显微镜使人们能看到原子尺寸的微观世界图像, 极大地促进了化学、生命、材料、表面等学科的发展. 通过提高时间分辨率, 利用特定能量的飞秒和阿秒X射线脉冲来探测超快速化学反应, 如光合作用、DNA和蛋白质分子的合成和分解过程, 已经成为科学发展的前沿研究领域之一. 经过多年的探索, 作者在有关超短X射线脉冲产生(发光)、超快速测量(时间分辨率达到飞秒量级, 1 fs = 10^-15 s, 即1千万亿分之一秒, 和阿秒量级, 1 as = 10^-18 s, 即100亿亿分之一秒)等前沿领域取得了一些原创性的研究成果, 发现了原子在强激光场中产生飞秒和阿秒X射线脉冲的发射特性(即激光相位与X射线光子能量之间的关系), 揭示了发射特性的激光脉冲宽度依赖性和载波-包络相位(CEP)依赖性及其180°周期结构, 在理论上计算出了飞秒和阿秒X射线光电效应的量子增强现象及光电子能谱的干涉图像等. 提出了测量和应用CEP的新方法, 建立了应用于超快速测量的光电子能谱相位确定法, 找到了重建脉冲时间结构的光电子能谱微分变换方程、积分变换方程和比例变换方程. 利用这些先进的方法和变换方程, 能极大地提高超快速测量的实验效率和时间精度(理论均方根时间偏差为2 as). 这些研究成果为超快速测量实验研究和分子电影技术的发展奠定了重要的理论和技术基础.     

方解石表面的原子力显微镜研究

原子力显微镜(Atornic force microscope,简称AFM)是1985年Binnig等人发明的新型表面分析仪器叫,它和扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,简称STM)都是当今唯一能在正空间直接观察物质表面结构并具有原子级分辨率的仪器,但与STM不同的是,原子力显微镜不仅能观察导电物质的表面,而且能观察不导电物质的表面,因而具有更为广阔的应用范围。由于大多数矿物为绝缘体,因此AFM对于矿物学的研究有着特殊的意     

高T_c超导氧化物中受激载流子的飞秒弛豫过程

飞秒泵浦探测技术通过研究超导体中光激发的非平衡载流子的瞬态弛豫过程,可以直接测量BCS理论中的电声耦合常数λ.人们已经用这种技术对常规的金属超导体进行了广泛的研究,获得了常规超导体中非平衡载流子的弛豫动力学和电声相互作用的信息.高温氧化物超导体问世以来,其超导电性的微观机制仍不甚清楚.最近,对高T_c氧化物超导体的飞秒瞬态谱的研究已经得到了一些有意义的结果.但是,这些结果并未揭示高T_c超导体中电     

用扫描隧道显微镜观察Cr12钢中马氏体

扫描隧道显微镜(STM)是80年代初研制成功的一种新型表面分析仪器,现已在物理、化学、生物等领域获得了广泛应用.与扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及场离子显微镜(FIM)相比,STM具有结构简单、分辨率高、样品制备方便等特点.STM的横向分辨率可超过0.1nm,纵向分辨率可达0.01nm,因而STM适用于观察样品表面微观结构以及由于微观缺陷的存在而引起的原子尺度的起伏,如表面台阶、界面等.目前STM已成功地用于石墨中碳原子及单晶硅表面7×7结构的直接观察.用STM研究金属材料表面的精细组织结构,可有效地填补其它分析手段的不足,但至今由于实验技术及仪器本身的局限,扫描隧道     

聚酰亚胺Langmuir-Blodgett膜的原子力显微镜研究

聚酰亚胺Langmuir-Blodgett(LB)膜因具有超薄、有序、可控、任意组装等特点而在微电子等现代科学技术中有着极大的应用前景.它们可用于超薄绝缘膜和液晶显示中的定向层.在这些实际应用中,表征聚酰亚胺LB膜的分子结构以研究其分子功能显得尤其重要.但是,使用常规的分析方法难以在分子水平上进行LB膜的直接观察和研究.近年来,扫描隧道显微镜(STM)因具有原子级的分辨为有机超薄膜微观分子结构的表征提供了一种新型强有力的检测手段.1991年日本学者Fujiwara等人首次报道了对单层聚酰亚胺膜的STM观测研     

过渡金属配合物非绝热动力学模拟的新进展

过渡金属配合物由于其特殊的激发态性质,在能源、材料、生物等领域有着广阔的应用前景.对其激发态性质和微观动力学的深入理解不仅需要借助于超快的时间分辨光谱技术,还需要结合高精度的非绝热动力学模拟.然而,由于该类体系激发态比较复杂,相应的非绝热动力学模拟方法仍有待进一步发展.为此,我们简要回顾了目前该类体系非绝热动力学模拟方法的进展与这些方法的一些局限性,在此基础上,重点介绍了本课题组所发展并程序化了的一种高效的基于含时密度泛函理论(TD-DFT)的广义最少面跳跃方法.该方法可以在TD-DFT水平下模拟相同自旋态之间的内转换过程以及不同自旋态之间的系间窜跃过程.利用新发展的方法,我们系统地研究了一系列过渡金属配合物超快的激发态动力学过程,如铱(III)配合物的电子-空穴转移过程,以及金(I)配合物超快的系间窜跃过程,模拟结果不仅与已有的实验数据相吻合,还提供了许多这些超快过程新的机理信息.该方法的发展为研究过渡金属配合物的激发态动力学提供了强有力的理论模拟工具.     

云母和石墨表面结构的激光检测原子力显微镜研究

1986年,Binnig等人研制成功第一台原子力显微镜(AFM)。和STM不同,AFM不受样品导电性的限制,因而其应用领域更为广阔。1988年,国外开始对AFM进行改进,研制出激光检测原子力显微镜(Laser-AFM)。1989年,国外的Laser-AFM达到了原子级分辨率。目前,AFM已发展成为一种十分重要的表面分析仪器。我们在已有的STM和AFM基础上,又成功地研制出国内第一台全自动Laser-     

分子阿秒超快动力学精密测量与调控

少周期飞秒脉冲激光和桌面化极紫外阿秒光源的发展为在原子分子层面探究电子和原子核超快运动提供了飞秒到阿秒时间尺度的探测标尺。围绕双光子干涉阿秒拍频重构技术、阿秒条纹相机技术、阿秒钟技术以及阿秒瞬态吸收光谱技术等不同的阿秒测量谱学方法，主要梳理了飞秒和阿秒光脉冲在分子电离解离超快精密测控领域的最新进展，探讨了分子化学键断裂重组过程中的电子跃迁、电荷转移、电子-电子关联、电子-原子核振转耦合等超快动力学行为。     

飞秒激光二维红外光谱

近年来出现的飞秒激光二维红外(2D IR)光谱技术具有以飞秒时间分辨率测定凝聚相分子动态结构的潜力. 时间分辨率取决于飞秒激光的脉冲宽度, 分子结构信息存在于二维谱的对角峰和非对角峰中. 本文较为全面地论述了2D IR的基本原理, 介绍了2D IR的发展历史以及最新动态, 特别是近年来2D IR在蛋白质及多肽的结构和动力学方面的代表性研究结果; 并以蛋白质酰胺-Ⅰ带为例, 着重探讨了一维和二维红外光谱模拟所用的振动激子模型, 以及量子化学从头计算、分子动力学模拟在激子模型和光谱模拟中的应用. 还简单介绍了偏振光的调控在二维红外光谱学中的用途以及存在的一些实际问题, 也介绍了同位素取代, 特别是碳-13取代在多肽结构的2D IR表征中的有效性, 并分析了水溶液中多肽局部动态结构研究的一个实例. 最后, 提出了2D IR的一些基础研究方向和应用研究方向以及有待解决的一些技术问题.     

Ru(0001)表面石墨烯的外延生长及其担载纳米金属催化剂的研究

采用室温下吸附乙烯结合高温退火的方法在Ru(0001)表面上制备了单层石墨烯结构. 利用扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)研究了石墨烯的生长过程以及石墨烯的表面形貌和结构. 以单层石墨烯为模板, 制备了尺寸和空间分布比较均一的Pt纳米团簇.     

飞秒激光诱导周期性表面结构及其应用

近年来,飞秒激光微纳加工技术引起了科学界的广泛关注.飞秒激光脉冲凭借其超短脉宽及超强的瞬时功率,较传统的激光加工有着明显的优势:几乎可以加工任何材料,非接触加工,非热加工,加工精度高,能够加工亚微米级结构和三维复杂结构,加工过程耗能低.飞秒激光加工材料的过程中会产生周期性的表面结构,这些表面结构会对材料的表面性能产生明显的影响,并且在国防、医疗、高端制造等多个领域具有巨大的应用潜力.因此,国内外研究人员对飞秒激光诱导周期性表面结构进行了系统深入的理论研究和实验研究.本文简要阐述了飞秒激光的基本特点及飞秒激光微纳加工的独特优势,对近年来关于飞秒激光诱导周期性表面结构(laser induced periodic surface structure,LIPSS)的理论与实验研究进行了综述,并阐述了这种周期性表面结构对材料表面浸润特性、光学特性以及表面拉曼增强的影响和研究进展,最后对LIPSS未来的研究方向进行了预测和展望.     

产生和测量阿秒及飞秒软X-射线脉冲方法

报告了产生和测量阿秒及飞秒软X-射线脉冲的方法, 研究了高次谐波产生与激光相位之间的关系, 得到了时域内两个不同的辐射能量分布曲线. 这些结果有助于理解高次谐波产生的动力学过程. 可用脉冲光子能量的带宽值和两个参数化公式, 计算能量分布曲线的时间宽度. 为了更好地研究和模拟脉冲的传输及与介质的相互作用, 往往需要指定脉冲的光子能量和带宽等参数. 这两个公式在实验上可用于分析所选择脉冲的能量带宽值和时间宽度之间的关系. 所提出的变换方程和相关的光电子激光相位确定法, 能用来直接从光电子能谱得到阿秒及飞秒软X-射线脉冲的时间结构, 而不需要预先假设脉冲的频率分布和强度分布形状, 也不需要与实验测量数据进行拟合计算. 这些方程和方法是超快速测量的基础, 能用于评估超短X-射线脉冲光源的技术参数, 推动新一代光源技术和应用研究的进一步发展. 它们具有很宽的时间测量范围和极高的时间分辨率, 将使超快速测量以及飞秒和阿秒定时技术达到计量学的精度, 并使之发展成为标准化的测量方法, 进一步促成物理、化学及生物学新的研究高潮. 同时, 对阿秒和飞秒X-射线脉冲的应用及测量方面的理论和技术难题作了简要的讨论.     

全部国产化的扫描隧道显微镜研制成功

扫描隧道显微镜(STM)具有极高的分辨率,能清晰地分辨样品表面的原子形貌和电子态结构,是表面科学的理想研究工具。自STM的发明者G.Binnig和H.Rohror获得1986年度的诺贝尔物理奖后,它的发展和应用更是与日俱增,不仅引起了物理学家的广泛兴趣,也受到了其他科学家的高度重视。STM除了分辨率高外(横向1(?),纵向0.01(?)),还具有一系     

飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用

激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已广泛应用于众多的工业制造领域. 利用激光直写技术进行材料加工时, 其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制, 难于进行纳米尺度的加工. 飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段, 也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源. 近年来, 作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点. 该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应, 成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率, 可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用, 具有广阔的应用前景. 在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120 nm的加工分辨率后, 最近我国科学家实现了15 nm线宽的纳米尺度加工分辨率. 在利用多光束并行加工技术进行快速、大批量微纳结构加工的同时, 最新发展的多光束组合技术实现了多部件组合加工、一次成型, 解决了微尺度零部件组装难题, 为微纳尺度器件及微机电系统的开发提供了具有实用化前景的加工方法与途径. 利用飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术的高精度、良好的空间分辨率和真三维加工能力的特点, 各国科学家制备出了各种微尺度光子学器件及微机电系统, 充分展示了该技术的应用前景. 随着对飞秒脉冲激光与物质相互作用机理、加工技术及相关材料技术的深入研究, 飞秒脉冲微纳加工技术必将获得快速发展, 并在先进纳米制造领域获得新的突破.     

自然信息

目前物质表面的原子分辨率图像,一般是通过最近研制成功的扫描隧道式显微镜(STM)来获得的。以STM作为高分辨率探针还有改变表面结构的作用。因此,STM竟成了实现毫微米技术最主要的     

飞秒激光仿生制备极端浸润性表面

极端浸润性表面由于具有许多奇异的特性和重要的应用,近年来备受国际学术界和工业界的广泛关注.与传统微制造技术相比,飞秒激光微纳加工技术在设计制备复杂精细表面微纳结构方面具有非常突出的优势.飞秒激光近年来也被成功应用于调控固体材料表面的浸润性.本文系统总结了飞秒激光在制备不同极端浸润性表面方面的研究进展,包括超疏水表面、水下超疏油表面、水下超疏气表面、润滑液灌注滑动表面、可调粘滞性表面以及各向异性表面.本文从仿生制备的角度,阐述了各种超浸润表面飞秒激光构建的方法和思路,以及不同浸润性之间的关系,介绍了飞秒激光诱导极端浸润性表面的重要应用,探讨了该领域目前所面临的主要挑战,并对未来的发展进行了展望.     

封面说明

正阿秒(10~(-18)s)光源是21世纪新兴的光源,是目前人类所能掌握的具有最短时间宽度的脉冲光源,是目前唯一同时具有纳米空间分辨率和阿秒时间分辨率的全相干光源.阿秒光源的应用覆盖了物理、化学、生物、材料、能源、超快信息等领域.利用阿秒光源的超高时间分辨率,可以对微观超快过程进行跟踪拍照,从根本上揭示这些领域的微观机理,为它们提供原始创新驱动力.