研究人员用金膜将秘密从表面哄出来

ETH的研究人员使用一种特殊的薄片状金膜，使研究表面变得更加容易。该膜使测量传统方法无法获得的表面性质成为可能

“表面是魔鬼发明的”——这句话归功于理论物理学家沃尔夫冈·保利，他在苏黎世联邦理工学院任教多年，并于1945年因其对量子力学的贡献而获得诺贝尔物理学奖。研究人员确实在与表面作斗争。一方面，它们在有生命和无生命的自然界中都非常重要，但另一方面，用传统方法研究它们可能非常困难

苏黎世联邦理工学院光子学教授Lukas Novotny与柏林洪堡大学的同事领导的一个由材料科学家和电气工程师组成的跨学科团队现在开发了一种方法，该方法将在未来使表面表征变得更加容易

他们最近在科学杂志《自然通讯》上发表了基于极薄金膜的研究结果

“无论我们是在处理催化剂、太阳能电池还是电池，表面总是与它们的功能极其相关，”前材料科学博士生、该论文的第一作者Roman Wyss说，他现在是ETH分拆公司Enantios的研究员

这种相关性的原因是重要的过程通常发生在接口上。对于催化剂来说，这些过程是在其表面加速的化学反应。在电池中，电极的表面性质对其效率和降解行为至关重要

多年来，研究人员一直使用拉曼光谱无损检测材料特性，也就是说，在这个过程中不会破坏材料。在拉曼光谱中，激光束被发送到材料上，并对反射光进行分析

根据反射光的特性，人们可以对所考虑物体的化学成分（也称为化学指纹）以及应变等机械效应得出结论，反射光的频谱因材料中分子的振动而改变

Sebastian Heeg说：“这是一种非常强大的方法，但它只能应用于有强烈局限性的表面。”他作为Lukas Novotny团队的博士后参与了实验，现在领导着洪堡大学的一个初级研究小组

由于在拉曼光谱中，激光穿透材料几微米，因此频谱主要受材料体积的影响，而仅在很小程度上受其表面的影响，该表面仅包括几个原子层

为了将拉曼光谱也用于表面，ETH的研究人员开发了一种只有20纳米厚的特殊金膜，其中包含大约100纳米大小的细长孔

当这种膜被转移到待研究的表面上时，会发生两件事。首先，薄膜防止激光束穿透材料的体积。其次，在孔隙的位置，激光被集中并重新辐射到表面仅几纳米

Heeg说：“孔隙充当所谓的等离子体天线——就像手机中的天线一样。”。与没有膜的传统拉曼光谱的信号相比，天线将来自表面的拉曼信号放大多达一千倍。Heeg和他的同事能够在许多材料上证明这一点，包括应变硅和钙钛矿晶体镧镍氧化物（LaNiO3）

应变硅对量子技术的应用很重要，但到目前为止，还不可能使用拉曼光谱来探测应变，因为表面产生的信号被测量的背景噪声所覆盖

在施加金膜后，应变信号被选择性地放大到可以清楚地与材料的其他拉曼信号区分开的程度

另一方面，金属钙钛矿镧镍氧化物是生产电极的重要材料

苏黎世联邦理工学院前博士后、现为勒芒大学助理教授的Mads Weber说：“它的晶体结构和导电性之间的强耦合使得通过在纳米尺度上改变电极的厚度来控制导电性成为可能。有人认为，表面结构在这方面起着至关重要的作用。”他研究了这类材料，也参与了这项研究

由于新的金膜方法，研究人员现在首次能够获得镧镍氧化物的表面结构

在未来，研究人员希望进一步改进他们的方法，并使其适应用户需求。例如，目前金膜中的孔具有不同的尺寸并且是随机取向的

通过制备具有平行排列的相等尺寸孔的金膜，该方法可以针对特定材料进行优化，这将使拉曼信号的强度再提高一百倍