ETH的研究人员通过使用一种特殊的极薄金膜，使研究表面变得非常容易。这种膜使他们能够测量肉眼无法到达的表面的特性nventional方法。
“魔鬼发明了表面”——这句话是理论物理学家沃尔夫冈·泡利说的，他曾在苏黎世联邦理工学院任教多年，并因在量子力学方面的贡献而于1945年获得诺贝尔物理学奖。研究人员确实在表面问题上很纠结。一方面，它们在有生命和无生命的自然界中都是极其重要的，但另一方面，用传统的方法来研究它们是非常困难的。
由苏黎世联邦理工学院光子学教授Lukas Novotny领导的跨学科材料科学家和电气工程师团队，以及Humboldt-Universität zu Berlin的同事们，现在已经开发出一种方法，该方法将使未来的表面表征变得相当容易。他们最近在科学杂志的外部页面《自然通讯》上发表了他们的研究结果，该研究基于一层极薄的金膜。
表面是im重要的功能
“无论我们是在研究催化剂、太阳能电池还是电池——表面总是与它们的功能极其相关，”罗曼·维斯(Roman Wyss)说，他是材料科学专业的前博士生，也是这篇论文的第一作者，现在是ETH衍生公司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，这些过程就是在其表面加速的化学反应。在电池中，电极的表面特性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来非破坏性地检测材料特性，也就是说，在检测过程中不会破坏材料。在拉曼光谱学中，一束激光被发射到材料上，反射光被分析。反射光的频谱由于材料中分子的振动而发生改变，根据反射光的特性，人们可以得出关于所考虑的物体的化学成分(也称为化学指纹)以及诸如应变之类的机械效应的结论。
金膜上有细小的孔
“这是一种非常强大的方法，但它只能应用于有很强局限性的表面，”塞巴斯蒂安·希格(Sebastian Heeg)说，他在卢卡斯·诺沃特尼(Lukas Novotny)小组做博士后时参与了这项实验，现在在Humboldt-Universität领导一个初级研究小组。由于在拉曼光谱中，激光穿透材料几微米，所以频谱主要受材料体积的影响，仅在很小程度上受其表面的影响，其表面仅由几个原子层组成。
为了将拉曼光谱也用于表面，ETH的研究人员开发了一种特殊的金膜，它只有20纳米厚，含有大约100纳米大小的细长孔。当这种薄膜被转移到被研究的表面上时，会发生两件事:首先，薄膜阻止激光束穿透材料的体积。其次，在孔的位置，激光被集中并再辐射到表面几纳米处。
上千倍的信号放大
Heeg说:“这些毛孔就像所谓的等离子体天线，就像手机里的天线一样。”与没有薄膜的传统拉曼光谱信号相比，天线将来自表面的拉曼信号放大了1000倍。Heeg和他的同事们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)。
应变硅对于量子技术的应用很重要，但到目前为止，由于表面产生的信号被测量的背景噪声所覆盖，使用拉曼光谱来探测应变是不可能的。应用金膜后，有选择地放大应变信号，使其与材料的其他拉曼信号明显区分开。
另一方面，金属钙钛矿镧镍氧化物是制造电极的重要材料。“它的晶体结构和电导率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电导率成为可能。“表面结构，有人认为，在这里起着至关重要的作用，”Mads Weber说，他是苏黎世联邦理工学院的前博士后，现在是勒芒大学的助理教授，他研究这类材料，也参与了这项研究。由于新的金膜方法，研究人员现在第一次能够接触到氧化镧镍的表面结构。
Heeg说:“从可持续性的角度来看，我们的方法也很有趣，因为现有的拉曼设备可以毫不费力地获得全新的功能。”未来，研究人员希望进一步改进他们的方法，使其适应用户的需求。例如，目前金膜上的孔隙大小不一，并且是随机取向的。通过制造具有相同大小且平行排列的孔的金膜，该方法可以针对特定材料进行优化，从而将拉曼信号的强度提高一百倍。
