南开大学现代光学研究所《PhotoniX》：原子制造新途径
—表面等离激元驱动的金属原子迁移
原子级制造是指在原子尺度上对材料的结构与成分进行精确调控，其核心在于通过对单个原子的精准操控实现特定功能，从而突破传统制造技术的精度极限，实现物质的原子级转化与高效利用。在这一过程中，精确控制单个金属原子的迁移是构筑原子级器件和纳米结构的关键技术。尽管扫描隧道显微镜（STM）能够逐一搬运原子，但其过程耗时且依赖高真空等苛刻条件，难以在更广泛的应用场景中推广。因此，发展一种能够在室温和大气环境下高效实现金属原子迁移的新手段，显得尤为迫切。
近日，南开大学现代光学研究所科研团队在《PhotoniX》期刊发表了题为 “Surface Plasmon Driven Atomic Migration Mediated by Molecular Monolayer” 的研究成果。研究表明，在“纳米颗粒–金属镜面” (Nanoparticle-on-Mirror, NpoM) 结构中引入自组装单分子层 (SAM)，即可在常规环境下利用瞬时激光实现金属原子的高效迁移。这一过程由局域表面等离激元 (LSP) 驱动，具有高效率和良好的可控性，为在环境条件下高效制备原子级图案开辟了新的途径。
² 核心发现：光驱动下的原子迁移现象
研究团队利用NPoM结构，在纳米颗粒与金属镜面之间夹入一层SAM分子（图1a）。在激光照射下，该结构的暗场散射光谱出现了显著红移（图1b）。理论计算进一步表明，这种红移并非源自间隙的收缩，而是由于金属原子从颗粒底部被拉出进而向两端迁移，从而增加了界面宽度（图1c）。
图1. NPoM结构示意图、暗场散射光谱的红移以及对应暗场成像结果，理论计算表明共振红移来源于纳米颗粒底部截面增加。
在比较不同SAM分子和激光功率条件下的迁移效应时（图2a, 2b），发现4-BTP和4-CTP分子在高功率下会诱发更强的原子迁移（图2c, 2d）。然而，对于4-NTP分子，即使在0.1 mW下的共振红移与4-BTP和4-CTP相近，但在0.5 mW时其红移明显减弱（图2e）。原位拉曼光谱揭示了原因：在高功率照射下，4-NTP会在SPP催化作用下转化为DMAB分子（图2f-h）。由于4-NTP极化率较高，可显著促进金属原子迁移，而生成的DMAB极化率较低，迁移效率随之下降，相当于分子镊子的“抓力”减弱。由此可见，原子迁移过程同时受到分子类型和激光功率的双重调控。
图2. 分子种类和光功率对原子迁移的调控。
² 机制揭秘：原子迁移的物理本质是偶极-偶极吸引，而非光梯度力
为探究迁移的物理机制，研究团队估算了单个金属原子在纳米间隙中受到的光学梯度力。结果显示，其大小仅为皮牛顿 (~ pN)，远小于断开金属键所需的纳牛顿(~ nN)，因此光梯度力不足以直接将金属原子从纳米颗粒表面拉出。真正驱动迁移的，是LSP诱导下分子尖端与金属原子之间的偶极–偶极吸引力。具体而言，激光激发LSP会改变分子内的电荷分布，使分子层转变为偶极层（图3a）。分子尖端与纳米颗粒表面原子距离极近，会在颗粒中诱导出大小相等、方向相反的镜像偶极子（图3b, 3c），从而进一步增强分子尖端的极化率。当分子尖端与金属原子之间的距离 z 极小时，该吸引力急剧增强，其强度远超光梯度力，从而实现原子迁移。理论推导表明该力大小与分子尖端极化率成正比，与距离的四次方成反比（图3d）。实验上，研究人员通过去除激光照射后的纳米颗粒，在暗场成像中清晰观察到原颗粒位置残留的单个原子岛（图3e,f），印证了光照时纳米间隙内原子迁移的发生。
图3. LSP诱导的分子尖端与金属原子的偶极–偶极相互作用及原子孤岛成像。
² 应用蓝图：利用分子辅助原子迁移制备原子级阵列
在揭示了分子辅助的原子迁移机制后，研究团队提出了一套可用于制备原子级阵列 (如量子围栏) 的工艺流程。首先，对Si基底进行乙醇冲洗并氮气干燥（图4a）。随后，通过离子溅射在基底上沉积约200 nm厚的金属膜（图4b），再将其浸泡在分子溶液中12小时以形成SAM层，之后用乙醇冲洗去除多余分子并氮气干燥（图4c）。接着，将纳米颗粒胶体溶液滴至SAM表面，经蒸馏水冲洗和氮气干燥后形成NPoM结构（图4d）。在激光照射下，原子从金属表面迁移并发生横向扩散，在纳米颗粒底部周围形成对称的原子岛（图4e）。最后，用乙醇和水冲洗样品以去除纳米颗粒，便可得到稳定的原子级孤岛阵列（图4f）。
图4. 分子辅助的原子迁移实现原子岛阵列制备流程图。
本研究在大气室温条件下，利用SAM桥接的NPoM结构实现了光诱导的高效原子迁移。通过暗场散射光谱、暗场成像、原位拉曼光谱与SEM成像，我们不仅观测到由原子迁移引起的共振红移现象，还揭示了其核心机制：LSP诱导的分子尖端与金属原子间的偶极–偶极吸引力，足以将单个原子从纳米颗粒表面拉出。借助该机理，我们实现了原子级结构的制备。在纳米颗粒位置可控的前提下，该方法可为构建原子图案提供新的可行路径，为理解纳米结构中的等离激元共振峰位移提供新见解、为实现表面增强拉曼光谱、原子制造、表面等离激元催化提供新思路。
该研究工作于2025年8月31日以“Surface Plasmon Driven Atomic Migration Mediated by Molecular Monolayer”为题发表于《PhotoniX》上，文章的第一作者为南开大学现代光学研究所博士生胡奇宏。
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s43074-025-00190-7?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20250901&utm_content=10.1186%2Fs43074-025-00190-7
