科罗拉多大学博尔德分校 一张图显示了将一种材料缩小到几纳米的厚度会如何破坏它的原子键
信用:卡培恩/默南集团/JILA 科罗拉多大学博尔德分校的研究人员使用超快极紫外激光测量了比人类红细胞薄100多倍的材料的特性
由JILA的科学家领导的研究小组在本周的《物理评论材料》杂志上报道了其晶片厚度的新壮举
该研究的合著者约书亚·克诺布洛赫说，该小组的目标是一层只有5纳米厚的薄膜，这是研究人员迄今为止能够完全探测到的最薄的材料
“这是一项创纪录的研究，旨在看看我们能走多小，能有多准确，”JILA大学的研究生克诺布洛赫说，该校是博尔德大学和国家标准与技术研究所(NIST)的合作伙伴
他补充说，当事情变小时，正常的工程规则并不总是适用
例如，该小组发现，一些材料变得越薄，似乎变得越软
研究人员希望他们的发现有朝一日能帮助科学家更好地探索通常不可预测的纳米世界，设计更小、更高效的计算机电路、半导体和其他技术
“如果你在做纳米工程，你不能把你的材料当成普通的大材料，”特拉维斯·弗雷泽说，他是这篇新论文的主要作者，也是JILA大学的前研究生
“因为它很小这一简单事实，它的行为就像一种不同的材料
" “这一令人惊讶的发现——非常薄的材料可能比预期的薄10倍——是新工具如何帮助我们更好地理解纳米世界的又一个例子，”这项新研究的合著者、博尔德大学物理学教授、JILA研究员玛格丽特·默纳说
纳米扭动 这项研究是在许多科技公司试图做到这一点的时候进行的:变小
一些公司正在试验制造高效电脑芯片的方法，这种芯片可以将一层薄膜材料叠加在另一层上——就像一个菲洛蛋糕，但在你的笔记本电脑内部
弗雷泽说，这种方法的问题在于，科学家们很难预测这些片状层的行为
它们太精密了，无法用普通工具进行任何有意义的测量
为了帮助实现这一目标，他和他的同事们部署了极紫外激光，即比传统激光波长更短的辐射束——这些波长与纳米世界非常匹配
研究人员开发了一种装置，允许他们从只有几股脱氧核糖核酸厚度的材料层上反射这些光束，跟踪这些薄膜振动的不同方式。
弗雷泽说:“如果你能测量出你的材料摆动的速度，那么你就能知道它有多僵硬。”
原子分裂 这种方法也揭示了当你把材料做得非常非常小的时候，材料的性质会发生多大的变化
例如，在最近的研究中，研究人员探测了两层碳化硅薄膜的相对强度:一层约46纳米厚，另一层仅5纳米厚
该团队的紫外激光带来了令人惊讶的结果
较薄的薄膜比较厚的薄膜软10倍左右，或者刚性更小，这是研究人员没有预料到的
弗雷泽解释说，如果你把一层薄膜做得太薄，你可以切断将一种材料结合在一起的原子键——有点像解开一根磨损的绳子
弗雷泽说:“薄膜顶部的原子下面还有其他原子，它们可以抓住这些原子。”
“但是在它们上面，原子没有任何可以抓住的东西
" 但他补充道，并非所有材料的表现都是一样的
该小组还对第二种材料进行了同样的实验，第二种材料与第一种材料几乎相同，但有一个很大的区别——这种材料中添加了更多的氢原子
这种“掺杂”过程自然会破坏材料内部的原子键，导致材料失去强度
当研究小组用激光测试第二种更薄的材料时，他们发现了新的东西:这种材料在44纳米厚时和在11纳米厚时一样坚固
换句话说，额外的氢原子已经削弱了这种材料——一点点额外的收缩不会造成任何损害
最后，该团队表示，其新的紫外激光工具为科学家提供了一个窗口，让他们了解一个以前科学无法掌握的领域
“现在人们正在建造非常非常小的设备，他们在问像厚度或形状这样的属性如何改变他们的材料的行为，”克诺布洛赫说
“这给了我们一种获取纳米技术信息的新方法
" 这项研究得到了美国国家科学基金会实时功能成像科学技术中心的支持
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