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《苏州纳米所与东南大学合作在硅基近红外光电转换方面取得新进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 姜山
  • 发布时间：2017-09-22

  • 近红外光电检测对光谱、夜间监控、红外导引、光通信等应用领域具有重要意义。近年来， CMOS 技术的发展使得 Si 基光电子器件得到了广泛应用，然而由于 Si 自身带隙较大，普通的 Si 基光电探测器通常无法在超过 1200nm 的近红外光谱区域有效工作。

    　　为了解决这个问题，科学家们在 Si 材料表面沉积一层金属薄膜，形成金属 - 半导体之间的肖特基结，金属中自由电子吸收光子能量后可以穿过肖特基势垒，并进入 Si 材料中形成光电流。这种响应的截止波长由势垒高度决定，从而打破了半导体带隙的限制。在这个依赖热电子发射的光电响应机制下，金属结构对器件的近红外探测性能有很大的影响。目前，基于如传输表面等离激元共振（ PSPR ），局部表面等离激元共振（ LSPR ）和谐振腔共振等，纳米棒、纳米线、光栅等各种金属纳米结构已经被证明可以增强热电子光电响应。然而，这类结构的量子效率仍然较低，同时这些精细规则的纳米结构大大增加了生产工艺的复杂性和生产成本，使其无法实现大规模、低成本制造。

    　　近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈沁课题组联合东南大学的王琦龙教授紧密合作，在低成本高效硅基热电子红外光电探测器方面取得了系列进展。他们首先提出了 Au 纳米颗粒修饰 Si 金字塔结构的方案，实验证明他们制备的这些器件的性能与那些精心设计、成本高昂的 Si 基近红外光电探测器性能相当，有望应用在大规模热光伏电池和低成本红外检测中。相关研究成果发表在近期的 Nanotechnology （ 28:275202 ， 2017 ， http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/aa74a3/meta ） 期刊上。所采用的工艺十分简单：通过使用标准的各向异性化学湿蚀刻法来实现 Si 基金字塔的构建；然后在其表面溅射一层 Au 薄膜；接着通过快速热退火法形成修饰的金纳米颗粒；随后在金字塔那面通过磁控溅射沉积 ITO 薄膜，在另一面通过热蒸发沉积铝膜作为背电极；最后，样品通过铟锡焊接到芯片载体上，就完成了探测器的制作。他们发现金字塔表面增强了入射光子与 Au 纳米颗粒之间的耦合效应，因为这种金字塔表面减少了背反射光并使得光子在 Au 纳米颗粒内部多次反射，增加了入射光走的距离，而且 Au 纳米粒子的引入还使得器件的局部电磁场产生了增强，从而使光子可以被显著吸收，提高了光电转换量子效率。 　

    　　进一步，他们采用了 Au 纳米颗粒 - 介质 - 金反射镜的结构，充分利用无序金属纳米颗粒的宽带高光学吸收和 Au/TiO2/Si 组成的全向肖特基结，在光学与电学两个方面同时入手提高光电转换的内外量子效率。这种密集的随机热点（ hot spot ）分布大大提升了光吸收与热电子发射的效率，光电响应度是目前最高结果之一，硅光电响应截止波长扩展到近 2um ，展示了有效的近红外硅基光电应用。此外，通过时间分辨的 IV 正反偏压测试分析，他们深入剖析了光热电过程中热电子光电效应和光热效应的关系，揭开了前人工作中忽视的热电子光发射过程寄生的光热效应，为表面等离激元增强的热电子发射在光电转换、光催化、光传感应用提供了重要的依据和参考。相关结果发表 在 Laser & Photonics Reviews （ DOI ： 10.1002/lpor.201700059 ， http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201700059/full ）

    　　该工作得到国家自然科学基金委和中国科学院前沿大力支持。

    　　

    　　（部分内容来源于江苏省纳米创新中心，

    　　原文链接： http://jsnano.sipac.gov.cn/Nano/Apps/portal/index.php?s=/News/newsDetail/i/2/id/2DE2DA35-636A-A31A-2662-7DCC415B3B76 ）

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    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2022-11-14
    • 国家纳米科学中心朱凌项目研究员、杨延莲研究员与中国科学院物理所陈佳宁研究员合作，在利用纳米红外光谱技术研究小细胞外囊泡（sEV）的蛋白质二级结构并用于乳腺癌恶性程度和转移性评估方面取得新进展。相关研究成果以Single-vesicle Infrared Nanoscopy for Noninvasive Tumor Malignancy Diagnosis为题发表于《美国化学会志》（J. AM. Chem. Soc. 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c07393）。 作为动态生物分子，蛋白质的丰度和结构对于肿瘤的发生和发展至关重要。肿瘤相关蛋白质组成和结构的差异为阐明癌症发病机制提供重要信息，是肿瘤诊断和药物设计的重要生物标志物。sEV是由细胞分泌的纳米尺度（直径30–200 nm）的膜囊泡，携带和传递来源细胞的蛋白质、核酸等分子信息，影响生理病理过程。对肿瘤来源sEV蛋白质组分和二级结构的分析，有助于阐明sEV在肿瘤进展和转移中的作用，并促进肿瘤相关标志物的开发和液体活检技术的发展。然而sEV极具异质性，其蛋白组成和结构存在个体差异，单个sEV的分子分析和异质性评估在技术上仍具有挑战性。光学表征提供了无损、快速、非侵入性的便捷探测手段研究蛋白质的组分和结构信息，然而由于远场光谱学的微米级光斑与百纳米级sEV直径之间的尺寸差异，使得远场光谱技术仅限于开展对sEV族群的大样本统计分析，无法实现单个sEV层次表征和检测其物理化学性质。 研究团队利用自搭建的基于近场光学显微镜的纳米红外光谱系统（nano-FTIR）的10 nm尺度红外光场局域增强，在蛋白质酰胺I带（1600–1700 cm-1）和酰胺II带（1510–1580 cm-1）的指纹光谱频段内，对单个sEV开展原位红外指纹光谱研究。利用酰胺I带吸收频率对蛋白质骨架结构的高度敏感性，通过对正常细胞和不同恶性程度肿瘤细胞来源的sEV的红外光谱进行统计分析，发现酰胺I/II吸收比值随着sEV来源细胞系的恶性程度增加而增加，高恶性肿瘤细胞来源sEV蛋白质α-螺旋和无归卷曲的含量发生显著下降，反平行β-折叠和β-转角显著增加。并通过比较无转移和淋巴结转移乳腺癌患者原发灶肿瘤组织来源sEV，证明这种sEV蛋白质二级结构的改变可高灵敏评估肿瘤转移性。研究结果显示了nano-FTIR在单个sEV水平进行分子鉴定和分析的优势，证明了sEV蛋白质二级结构变化在癌症检测中的意义和临床价值，为基于sEV的nano-FTIR分子指纹谱识别的癌症诊断提供了新的解决方案。 杨延莲课题组长期致力于开发肿瘤检测及治疗的新方法。前期提出了微球辅助流式细胞术的方法检测血液来源的sEV，并将该方法拓展应用于乳腺癌（Small methods. 2018;2(11):1800122），脑胶质瘤（Theranostics, 2019;9(18): 5347-58），垂体瘤（Analytical Chemistry, 2019;91(15): 9580-89）等多种肿瘤的液体活检分析当中，并在100余例癌症患者血液样本中取得很好的检测效果，实现了多种癌症上的临床诊断和分子分型，具有高灵敏度和特异性。同时，针对sEV异质性问题，构建基于原子力显微镜的单个sEV力学性质分析模型，实现了对不同恶性程度以及同一来源不同大小sEV的纳米力学性质差异分析（Advanced Science, 2021;8(18): 2100825）。这些结果为发展基于sEV的液体活检技术提供了重要信息和方法。 中国科学院物理研究所薛孟飞博士（现为国科温州研究院博士后）和国家纳米科学中心叶思源博士为共同第一作者。国家纳米科学中心朱凌项目研究员、杨延莲研究员、中国科学院物理所陈佳宁研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到了中国科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国博士后科学基金和中国科学院青年创新促进会的支持。        原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c07393   图. 基于nano-FTIR的单个sEV蛋白质二级结构分析用于评估肿瘤恶性程度和转移性。（a）单个sEV原位红外吸收光谱分析；（b）sEV红外吸收光谱特征和蛋白质二级结构组成与肿瘤恶性程度相关；（c）sEV红外吸收光谱特征和蛋白质二级结构组成可评估乳腺癌患者转移性。
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  • 《苏州纳米所康黎星等在碳纳米管限域合成一维磁性原子链研究方面取得新进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-10-12
    • 　　低维磁性材料由于其特殊的磁学性质，在基础理论发展和自旋电子器件应用均有重要研究价值，因而引起了研究人员的广泛兴趣。二维磁性材料研究在过去的十多年里取得了长足进展，如铬基卤化物范德瓦尔斯磁体 CrX3（X=I、Br、Cl）具有高度可调的磁性能，表现出明显的层数依赖。然而，这些奇妙的特性能否从二维延续到一维是一个极具吸引力和挑战性的问题。合成高质量一维磁性原子链是研究其物理特性的重要前提。然而，将二维宏观尺寸缩小到一维原子链，必然会导致卷曲和不稳定，这使得合成和表征非常具有挑战性。 　　针对上述问题，中国科学院苏州纳米所康黎星研究员等人采用碘辅助真空化学气相传输（I-VCVT）方法，以碳纳米管为模板，在其空腔内部高效率地制备了高质量一维CrCl3原子链，并在光谱研究中发现了一维原子链结构与碳纳米管之间的电荷转移。对该体系动态磁性的全面研究发现，一维CrCl3原子链在3 K左右存在自旋玻璃态冻结。该工作为控制合成一维磁性原子链提供了一个有效的策略，其丰富的磁学性质提供了物质基础充分研究其内在物理机制，也为未来开发基于一维磁性的自旋电子器件提供了基础。 　　使用化学气相传输中常用的碘作为气相传输剂，增强了前驱体从碳纳米管表面向内部的扩散行为，从而获得了结晶质量优异的高连续性一维CrCl3原子链。 　大范围的STEM以及EDX元素图谱的扫描表明一维 CrCl3 原子链被高效及均匀地封装在 SWCNT 的空腔内，原子分辨的低压TEM以及模拟图揭示了被封装的一维CrCl3原子链的结构。 　　Raman表征发现了碳纳米管与封装物之间的主客体电荷转移，以及由此产生的G模式蓝移和RBM模式的抑制，XPS的C 1s峰向低能量移动佐证了主客体电荷转移。 　相关工作以Efficient Synthesis of Highly Crystalline One-Dimensional CrCl3 Atomic Chains with a Spin Glass State为题发表于ACS Nano，中国科学院苏州纳米所博士生李云飞和博士后李阿蕾、李晶为论文共同第一作者。上海科技大学曹克诚研究员和中国科学院苏州纳米所康黎星研究员、李清文研究员为共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、江苏省青年基金和中国科学技术大学“雏鹰基金”等项目的支持。 　　
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