原子力显微镜和非线性光学的结合助力光学缺陷探测

一项用于探测光学材料中纳米级缺陷的新技术，将引领从手机到太阳能电池等一系列探测器技术的升级。此项技术由麦吉尔大学的研究团队发明，使用原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）来更好的研究、操纵光学材料中的缺陷——这些纳米级的缺陷通常很难被定位和描述。

麦吉尔大学的研究团队将非线性光学方法与原子力显微镜相结合，探测光与物质相作用时产生的瞬态力。研究人员使用原子力显微镜测量介电质中的光诱导电子运动产生的静电作用力。他们在静电力中观察到了由样品中的二次非线性光学作用造成的变化，此变化尺度小于15纳米，时间分辨率在100飞秒。此时间分辨率是由光脉冲的特性所决定（而非力传感器所决定）。

“要研究和改进材料设计，科学家们通常使用比100飞秒更短的光脉冲来测量光与物质作用发生的时间，测量此过程中的最慢的步骤。” Zeno Schumacher说。“光波的电场在飞秒尺度振荡，将会在原子尺度上来回推拉构成物质的电荷以及离子。这些电荷体在力的作用下会移动或极化，正是这些运动决定了材料的光学特性。”

团队证实，从两个延时激光脉冲中产生的这种作用力，在时间精度高于飞秒、空间分辨率纳米级的条件下，可在一系列材料中被探测到。研究人员在绝缘体非线性光学材料（铌酸锂）、纳米厚度的二维半导体硒化钼薄片，以及一种用于光学和扫描探针显微镜的无机化合物上演示了此项技术。

研究人员相信这种技术能够将纳米结构和光诱导时间分辨动力学联系起来。“我们的新技术可用于任何材料，不论是金属、半导体还是绝缘体。” Peter Grutter教授说道。“这将使我们在高空间和时间精度上研究、理解，最终控制光伏材料的缺陷。最终，这将有助于我们改进太阳能电池及一系列应用中的光学探测器技术。”

这项研究结果发表在Proceedings of the National Academy of Sciences上（www.doi.org/10.1073/pnas.2003945117）。