研究背景与意义
近日，南京大学超导电子学研究所吴培亨院士、陈健教授，联合物理学院吴兴龙教授课题组和熊诗杰教授、香港城市大学朱剑豪教授等，在氧化锌介观晶体（mesocrystal）的低频拉曼散射及其太赫兹辐射的研究上取得重要进展，相关结果发表在最新一期出版的自然子刊《Nature Nanotechnology》（6, 103–106 (2011)）上。
介观晶体具有新型的晶体结构，它是由许多纳米尺度的小结构有序排列而成，从而在电子衍射谱上表现出单晶的衍射图样。介观晶体在自然界以及人工合成材料中发现得较多，各种不同材料的介观晶体的形成机理各不相同。氧化锌是目前金属氧化物纳米科学和技术研究中的热点材料之一，因其在纳米光电子、压电特性、光催化以及生物医学等领域的重要应用，而受到人们的广泛关注。去年该课题组在氧化锌介观晶体的生长机制研究方面取得了重要进展，他们用水热法在低温下一步合成了由六角形纳米片（厚度为15纳米，边长为50纳米）组装而成的核壳结构的氧化锌球形介观晶体，发现球形介观晶体的形成与六角形纳米片的本征偶极矩有关，通过实验和理论的分析，揭示了这种结构是由氧化锌核结构的电场与壳层上纳米片之间的偶极电场共同作用的结果（J. Am. Chem. Soc. 131, 9405 (2009)）。
核心突破：绿光激发下ZnO介观晶微球高效产生0.36 THz相干辐射
在随后的研究中，根据他们多年在半导体低频拉曼散射研究上的成功经验，敏锐地意识到这种核壳结构的氧化锌介观晶体，由于纳米级小“建筑块”的存在一定有明显的低频拉曼散射现象，拉曼峰的频谱位于太赫兹波段，因此如果能揭示太赫兹辐射过程，将进一步扩展ZnO纳米材料在微机电系统中的应用。为此他们用水热法制备了不同生长时间的氧化锌介观晶体。低频拉曼散射研究发现在12波数处有一明显的强的低频峰，对包含大量小球的样品，该峰跟球形氧化锌的尺寸无关。在不同生长时间的样品里，该峰的位置保持不变，只是半宽随生长时间的增长有少许的减少。通过对球的分离，他们测量了单个小球的低频拉曼谱，发现和多球的结果比较，峰位有不同程度的上移，且半宽也略为减少。通过理论计算，发现该低频振动起源于六角形纳米片在可见光激发下在垂直于纳米片平面的高频振动及随后在由纳米片组成的纳米悬臂上的传播，这些指向核心的纳米悬臂通过电和弹性的耦合把小纳米片组装起来。因此在测量多球的情况下，由于球间的连接，拉曼谱表现出相同的振动特性。在单球的情况下，振动的频率就取决于纳米悬臂的长度，结果生长时间越短，纳米悬臂也越短，振动频率就越高。
尽管低频拉曼谱已经展示了太赫兹振动的存在，但是作为实际应用，需要知道其太赫兹辐射特性。当前关于纳米晶的太赫兹辐射由于信号较弱，因而存在许多测量上的困难，因此纳米晶的太赫兹辐射也是一个挑战性的研究领域，相关的研究报道较少。电子科学与工程学院的吴培亨院士研究组在太赫兹辐射的研究上享有国际声誉。吴兴龙教授课题组和吴培亨院士研究组合作，利用介观晶体球尺寸在微米量级有强低频拉曼散射强度的特点，全面地测量了太赫兹输出功率跟绿激光输入功率、太赫兹辐射距离和辐射角度的依赖关系，特别地发现太赫兹辐射强度展现明显的随探测角度的周期性变化，表现出明显的干涉效应，这进一步表明了太赫兹辐射的存在。经过仔细的测量、分析，他们揭示了这种ZnO介观晶微米球能把0.016%的绿激光功率转换成了太赫兹辐射，转换效率达到33%，具有潜在的实际应用价值。
实验验证与极致性能
· 低频振动模式：0.36 THz（12 cm⁻¹），源于纳米片厚度方向ν₂模（理论0.33 THz）；
· 多球体系：振动频率与球径无关（球间耦合形成超长波长模式）；
· 单球体系：频率随悬臂长度蓝移（生长时间越短频率越高）；
· 太赫兹辐射：绿光（514.5 nm）激发下，最高输出6.8 μW；
· 光-太赫兹转换效率：0.016%（量子效率33%），远超传统半导体纳米结构（Si 5%、SiC 17%、II-VI量子点21%）；
· 辐射特性：线性依赖输入功率、点源特性、角度周期性干涉（证明相干辐射）。
科学意义与应用前景
1. 首次实现纳米结构高效相干太赫兹辐射：开创“光泵浦-机械共振-太赫兹发射”新机制。
2. 介观晶体新物态：揭示有序纳米片组装导致的集体太赫兹振荡，为“声子激光”提供新平台。
3. 颠覆性应用潜力：
· 超小型相干THz源（单微球即点源）；
· 片上集成THz发射器（兼容CMOS工艺）；
· 微区医学成像、微位移驱动、THz通信调制器；
· 可通过镜面反射或分级结构进一步提升效率。
图文导读
图1：ZnO介观晶微球结构
(a,b) 生长3 h与10 h样品SEM，核壳结构清晰。(c) 壳层由～15 nm厚、～50 nm边长六角纳米片垂直指向核心排列。(d) 单层纳米片构成的“纳米悬臂”模型。
图2：多球样品低频拉曼谱
生长2.5–10 h五个样品均在0.36 THz出现强峰，频率与球径无关，半宽随生长时间减小（有序度提高）。
图3：单球vs多球对比
(a) 10 h单球：频率上移、半宽变窄。(b) 3 h单球：频率更高（悬臂更短）。插图：纳米片厚度方向ν₂振动模式。
图4：太赫兹辐射实验装置
绿光激发→介观晶微球→相干THz辐射，Golay Cell探测。
图5：太赫兹辐射特性
(a) 输出功率与绿光功率线性相关。(b) 距离依赖（点源特性）。(c) 角度依赖周期振荡（干涉证实相干辐射）。
论文信息
成果以“Green light stimulates terahertz emission from mesocrystal microspheres”为题，发表于纳米领域顶级期刊《Nature Nanotechnology》（影响因子39.9）
文献来源
X. L. Wu*, S. J. Xiong, Z. Liu, J. Chen, J. C. Shen, T. H. Li, P. H. Wu & Paul K. Chu*. “Green light stimulates terahertz emission from mesocrystal microspheres” Nat. Nanotechnol. 6, 103–106 (2011)