受色彩鲜艳的鸟类启发而制造的砷化镓/砷化铟纳米激光器

研究人员正在研究鸟类羽毛中两种纳米结构是如何产生出鲜艳且与众不同的色彩的。

      由Hui Cao率领的来自于耶鲁大学应用物理学的团队已经采用了这些来自自然界的纳米技巧生产出新型的激光器。这些结果将保证激光可以通过自然过程而产生。

      图1：一个东部雄性蓝鸟（Sialia sialis，Turdidae）

      自然界中显示的许多颜色本质上是由纳米级别的结构在特定频率下强烈的光散射而产生的。在某些情况下，这些结构创建了彩虹色，其中，随着视角的不同颜色也发生改变，就像肥皂泡上不断变化的彩虹。在另外一些情况下，这些结构产生的色调是稳定不变的。

      独立于角度的颜色（angle-independent colours）产生的机理为难了科学家将近100年的时间;初看起来，这些稳定的色调似乎是由杂乱无规则的蛋白质产生。但是当研究人员深入观察这些蛋白质的微小截面时，准有序(quasi-ordered patterns)的模式开始显现出来。科学家们发现，正是这种短程有序（short-range order）模式增强了光在某些特定频率的散射，从而产生了独特的稳定的色调，例如蓝鸟羽毛的颜色。

      图2:来自于东部雄性蓝鸟的背部阔羽羽毛倒钩的SEM图像。它展示了通道型纳米结构的一种蛋白质。（比例尺=500nm）

      受羽毛的启发，耶鲁大学的研究人员采用这种短程有序来控制光线制造出了两个激光器。

      其中一个激光器模拟了羽毛中的一种结构：微小球形空气腔封装在一个称为β-角蛋白的蛋白质中。基于这个模型的激光器由充满微小气孔的GaAs膜组成，可以将光子捕获在某些特定频率上。在嵌入孔之间的InAs量子点将光放大形成相干光（激光特有的标志）。

      这种激光器的二维光电非晶态结构最初来源于计算机模拟的装果酱的圆筒。

      将计算机产生的模式传输到由砷化镓层及Al0.75GaO0.25As层构成的薄膜上，而这种薄膜通过分子束磊晶（MBE）的方式生长在GaAs基底上。在砷化镓层内，由GaAs屏障等距隔开的三个非耦合层（由InAs量子点构成）合成一体。

      通过电子束蚀刻和反应离子蚀刻将气孔形成的非晶阵列制作在GaAs层中。有选择地蚀刻掉Al0.75Ga00.25As层，从而在空气中留下独立的GaAs膜。科学家组合出不同的结构参数的模式。例如，他们改变圆形气孔的半径和相邻的气孔之间的平均距离。

      采用一系列互相连接的微小通道，研究人员还建立了一个网络激光器（network laser），这主要基于他们对羽毛中β-角蛋白中一系列的“蜿蜒曲折的形式”结构的观察。通过阻碍某些颜色光的传播允许另一些颜色光的通过，这种网络激光器发射激光。

      图3:网络激光器基于羽毛中的通道型纳米结构。这种激光器由GaAs膜中互相连接的纳米通道（白色）组成。（比例尺=2µm）

      在这两种情况下，科学家发现他们可以通过改变纳米通道的宽度或者相邻的纳米孔的间距来改变激光颜色。

      这些短程有序、仿生结构与传统激光器的不同在于，原则上，他们可以通过类似液体中的气泡形成的自然过程自行产生。这就意味着，工程师不用担心他们设计的大型结构的材料的纳米加工，从而使得激光器和发光器件的生产更容易、成本更低、生产起来也更快。

      这项工作的一个潜在应用包括更高效的太阳能电池，它们可以在转换成电子之前捕捉光子。该技术还可以产生耐久的涂料，这种涂料可以用在如化妆品和纺织品的处理过程中。

      作者Hui Cao说：“化工涂料总是会褪色”。但是物理的“涂料”由于纳米结构决定了它的颜色永不会改变。Hui Cao介绍了一个她们实验室刚刚检测过的40亿年前的甲虫化石，该甲虫化石具有产生颜色的纳米结构，Hui Cao说：“我的眼睛仍然可以看到它的颜色，这真的持续了很长一段时间。”

      这项工作由Hui Cao在圣何塞召开的光学学会（OSA）的年度会议“Frontiers in Optics (FiO) 2011 ”上报告，演示文稿标题为“仿生光子纳米结构和激光器。”讲座时间是2011年10月19日（星期三）。

      这项工作的进一步细节可以参考“ Control of Lasing in Biomimetic Structures with Short-Range Order ” by Noh et al in PhysRevLett 106, 183901 (2011).