中國(guó)科大周蒙教授課題組與美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)金榮超教授課題組合作，揭示了一維生長(zhǎng)金屬納米結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的演化。研究成果以“Evolution of coherent vibrations in atomically precise gold quantum rods with periodic elongation”為題，于6月11日在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表。

納米材料的激發(fā)態(tài)振動(dòng)行為反映其力學(xué)與光學(xué)特性。傳統(tǒng)金納米棒的振動(dòng)模式包括縱向和橫向兩類，振動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)。然而，當(dāng)尺寸縮小至原子級(jí)別（<2nm）時(shí)，傳統(tǒng)彈性理論對(duì)其振動(dòng)行為的描述面臨挑戰(zhàn)，尤其是電子結(jié)構(gòu)、表面應(yīng)力與配體耦合等因素在此尺度下更為顯著。

本研究選取了一系列徑向尺寸一致（3.15?）、長(zhǎng)度逐步增長(zhǎng)的棒狀金納米團(tuán)簇，并通過(guò)紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜確認(rèn)其具有共通的~400nm吸收峰與可調(diào)的近紅外吸收特征（圖1），體現(xiàn)出其各向異性電子結(jié)構(gòu)。

圖1.一維生長(zhǎng)金納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)光譜

利用飛秒時(shí)間分辨瞬態(tài)吸收光譜，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)揭示了該系列金棒的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。結(jié)果顯示，所有體系在400nm激發(fā)下均出現(xiàn)快速的系間竄越（ISC）過(guò)程，且其速率隨棒長(zhǎng)增加而加快。更為重要的是，在帶邊激發(fā)條件下觀測(cè)到清晰的相干振蕩信號(hào)（圖2）。頻譜分析表明，這些相干振動(dòng)主要包含兩種模式：其一為與棒長(zhǎng)呈線性關(guān)系的縱向振動(dòng)，其二為與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的橫向振動(dòng)。

圖2.棒狀金納米團(tuán)簇的相干振蕩現(xiàn)象。

該系列棒狀金納米團(tuán)簇的縱向振動(dòng)頻率相較于經(jīng)典彈性模型表現(xiàn)出顯著偏離，打破了頻率與1/L成正比的線性關(guān)系（其中L為納米棒的長(zhǎng)度）。進(jìn)一步的理論計(jì)算模擬了Au42至Au114的拉曼振動(dòng)模式，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中獲得的主振動(dòng)頻率（約1.7THz和2.6–2.9THz）高度吻合，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的可重復(fù)性。本工作系統(tǒng)揭示了原子級(jí)結(jié)構(gòu)精確可調(diào)的金納米棒中相干振動(dòng)的起源與演化規(guī)律，為深入理解低維金屬材料中的光-聲相互作用奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果對(duì)相干振動(dòng)的調(diào)控、能量傳輸及納米光電子器件的設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

中國(guó)科大張偉特任副研究員為論文第一作者，中國(guó)科大周蒙教授、孔潔特任副研究員和卡耐基梅隆大學(xué)金榮超教授為該論文的通訊作者。該研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)相關(guān)項(xiàng)目的資助。