人物介紹

Andre Maier 博士 (左，博士后研究員）和 Marcus Scheele 教授（右，首席研究員）都是德國圖賓根大學(xué)物理化學(xué)專業(yè)納米晶體組成員。

不久前，蘇黎世儀器對其進(jìn)行了專訪，讓我們看看鎖相放大器是如何幫助納米晶體領(lǐng)域的光學(xué)應(yīng)用。

1.?請分享一下你們科學(xué)工作者的經(jīng)歷

Marcus：我從事半導(dǎo)體納米晶體的化學(xué)和物理研究已超過 15 年的時(shí)間。在職業(yè)生涯的早期，我有幸與 Horst Weller、Dmitri Talapin 和 Paul Alivisatos 等該領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家一起工作并向他們學(xué)到了很多寶貴的知識。

我們這個(gè)小組現(xiàn)在想要實(shí)現(xiàn)的一些想法就是從那時(shí)候開始萌芽的。在我看來，這完美證明了科學(xué)的創(chuàng)新恰恰源自機(jī)構(gòu)之間在思想和人才上的頻繁交流。

Andre：我畢業(yè)于圖賓根大學(xué)，攻讀的是當(dāng)時(shí)新成立的納米科學(xué)項(xiàng)目。這個(gè)高度跨學(xué)科的項(xiàng)目激發(fā)了我對各種納米技術(shù)研究領(lǐng)域的興趣，也是我選擇去劍橋大學(xué) Ulrich Keyser 教授率領(lǐng)的小組進(jìn)行研究訪問的原因，他們的研究重點(diǎn)就是 DNA 納米技術(shù)和納米孔傳感。

回到圖賓根大學(xué)后，我在 2018 年作為博士生加入了 Marcus Scheele 教授的研究小組。我專攻的方向是對基于自組裝納米晶體和納米團(tuán)簇的新型納米材料進(jìn)行電子和結(jié)構(gòu)表征。具體來說，我研究了對基于溶液工藝制造的新型半導(dǎo)體器件至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)特性。

2021 年獲得博士學(xué)位后，我以博士后的身份留在了這個(gè)小組。

2.?您目前在做什么？

Marcus：剛進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的時(shí)候，我主要將精力放在新型半導(dǎo)體納米晶體的合成上。現(xiàn)在我相信該領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展得足夠成熟，這些材料完全可以用于實(shí)際應(yīng)用并有機(jī)會真正走向市場。其中的一項(xiàng)例證就是 Q-LED 顯示器的成功問世，這類產(chǎn)品借助半導(dǎo)體納米晶體，能夠明亮地呈現(xiàn)彩色圖像，而它很可能只是這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的起點(diǎn)。

除了 LED 外，我們的研究小組目前還在探索能用于光收發(fā)器的快速光開關(guān)材料。這類設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)光纖和計(jì)算機(jī)終端站之間關(guān)鍵的互連，而加快這一環(huán)節(jié)上的運(yùn)行速度將有助于提高數(shù)據(jù)傳輸速率。該項(xiàng)目得到了歐洲研究委員會的慷慨資助，這筆啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)將延續(xù)到 2024 年。

Andre：作為 Marcus Scheele 小組的博士后，我開發(fā)了一種能夠?qū)谀z體納米晶體的超快光電探測器進(jìn)行表征的裝置。膠體納米晶體具有尺寸可調(diào)性并且是基于溶液工藝制成的，因此有望成為一種光電探測器材料，也是光通信等各種技術(shù)應(yīng)用不可缺少的材料。

我們實(shí)施了一種基于泵浦-探針雙脈沖重合光響應(yīng)技術(shù)以及異步光學(xué)采樣 (ASOPS) 的表征方法，其中瑞士蘇黎世儀器公司研制的 UHFLI 鎖相放大器發(fā)揮了重要作用。通過這種技術(shù)，我們可以揭示所開發(fā)的光電探測器在皮秒到納秒范圍內(nèi)的固有時(shí)間響應(yīng)。

3.?Andre，您剛剛提到了 UHFLI，能詳細(xì)介紹一下該儀器的作用嗎？

Andre：我們用 UHFLI 來執(zhí)行超快泵浦-探測測量，目的是研究準(zhǔn)備用作光收發(fā)器的光電探測器所具有的固有響應(yīng)時(shí)間。

我們的設(shè)備由兩個(gè)飛秒激光脈沖激發(fā)，兩個(gè)脈沖之間的延遲可調(diào)。脈沖之間的延遲一般是通過機(jī)械延遲線逐步改變光路長度來產(chǎn)生的。

這種方式通?？梢詫?shí)現(xiàn)高達(dá)幾百皮秒的時(shí)間延遲；通過逐步改變此延遲并記錄相應(yīng)的光響應(yīng)，我們就能夠逐點(diǎn)獲取泵浦-探測的時(shí)域光譜。但這樣一來，單次測量就需要采集數(shù)小時(shí)的數(shù)據(jù)。

在異步光學(xué)采樣 (ASOPS) 方法中，我們使用了兩臺用電觸發(fā)同步的激光器，重復(fù)頻率 (frep + Δf) 略有偏移，導(dǎo)致時(shí)間延遲發(fā)生累積。具備周期性波形分析儀 (PWA) 功能的 UHFLI 鎖定在失諧頻率 Δf 上，從而進(jìn)行帶有 ASOPS 的泵浦-探測光響應(yīng)測量。

這種設(shè)置可以借助 PWA 實(shí)時(shí)記錄周期性信號，因此能夠在僅 10 ms 的采集時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)掃描分辨率為 10 fs 的 10 ns 延遲窗口。這意味著測量只需幾秒鐘，而無需幾小時(shí)。

4.?這個(gè)研究領(lǐng)域有什么特別具有前景的成果？

Andre：光電探測器將光轉(zhuǎn)換為電信號，這是光通信的關(guān)鍵能力。事實(shí)上，光收發(fā)器將從光纖中到達(dá)的光數(shù)據(jù)“轉(zhuǎn)換”為可由傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理的電數(shù)據(jù)。

由于此轉(zhuǎn)換步驟對實(shí)現(xiàn)更快通信造成障礙，因此能夠支持高頻操作的材料備受追捧。除了石墨烯和過渡金屬二硫化物等二維材料之外，采用溶液工藝制成的低成本納米晶體材料是另一種可行的選擇。