銀是古代就已知并加以利用的金屬之一，也是一種重要的貴金屬。銀的理化性質(zhì)均較為穩(wěn)定，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能很好，質(zhì)軟，富延展性，因此也曾作為我們的流通貨幣之一。
在這個(gè)納米材料層出不窮的時(shí)代，納米尺寸下的銀也有著十分誘人的特性——一定尺寸下，能夠在可見(jiàn)光和近紅外光波段中產(chǎn)生表面等離子體共振，是傳輸可見(jiàn)光和近紅外光的最佳等離子體激元材料。但是，要得到相當(dāng)薄且狀態(tài)穩(wěn)定的高質(zhì)量銀膜層十分困難，這也制約了銀薄膜作為納米光器件材料的應(yīng)用和發(fā)展。
密歇根大學(xué)電子工程和計(jì)算機(jī)工程學(xué)系教授郭凌杰（L.Jay Guo）手持這種新材料
而來(lái)自密歇根大學(xué)（University of Michigan）的研究團(tuán)隊(duì)研制出了一種能存在于空氣中的最薄的銀原子薄膜，并且材料表面十分光滑。他們別出心裁地在銀薄膜沉積過(guò)程中加入了鋁原子，并以此成功地獲得了超薄且平整的銀薄膜，暴露在空氣中且不會(huì)變色。在沉積完一層抗反射涂層后，銀薄膜的透明度達(dá)到了92.4%。如此良好的透明度和導(dǎo)電性能用于制作新型的觸摸屏、平面顯示屏和柔性顯示屏。
該研究成果以論文的形式發(fā)表在了《先進(jìn)材料（Advanced Materials）》。
研究團(tuán)隊(duì)還表示該材料作為光波導(dǎo)的性能也十分優(yōu)異：因?yàn)楣馐窃阢y薄膜表面利用表面等離子體共振進(jìn)行傳播，所以光在其中傳播損耗特別小，在其中傳播的距離是在其它金屬波導(dǎo)中傳播的10倍。
依靠這樣的原理，研究團(tuán)隊(duì)還將這樣的銀薄膜用于超級(jí)透鏡的制作，分辨率能達(dá)到一般光學(xué)顯微鏡達(dá)不到的尺寸，甚至能與電子顯微鏡媲美。這樣的鏡頭能夠用于電子芯片的光刻工藝，甚至能夠取代如今深紫外光刻技術(shù)。這對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展無(wú)疑是一大推力。
觸摸屏的材料之爭(zhēng)
我們都知道，顯示屏幕需要很多透明的電極來(lái)控制像素點(diǎn)的暗與亮，而觸摸屏就更是需要這些電極了，我們從觸摸屏的構(gòu)成上就能看出來(lái)。簡(jiǎn)單而言，觸摸屏是由一層不導(dǎo)電的玻璃或者塑料層加上一層透明的導(dǎo)電層構(gòu)成。
以電容屏為例，正常狀態(tài)，屏幕的導(dǎo)電情況或者說(shuō)電荷分布是不變的，而一旦有導(dǎo)體例如我們的手指觸碰了屏幕，情況就會(huì)發(fā)生改變，而系統(tǒng)也會(huì)因此檢測(cè)到相應(yīng)的信號(hào)。
觸摸屏功能示意圖
如今制作觸摸屏上導(dǎo)電層的材料，用的最多的就是“氧化銦錫（ITO）”，這是一種金屬氧化物，將它涂在玻璃或者塑料的表面，就可以得到透明的薄膜。
對(duì)此，密歇根大學(xué)電子工程和計(jì)算機(jī)工程學(xué)系教授郭凌杰（L.Jay Guo）表示：“透明電極的市場(chǎng)就被這一種材料壟斷至今。但是由于觸摸屏市場(chǎng)的不斷壯大，這種材料現(xiàn)在也變得越來(lái)越貴了。之前是很便宜，不過(guò)現(xiàn)在價(jià)格飆升了。”
就觸摸屏的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，銀薄膜的確擁有替代ITO材料的能力。不過(guò)高質(zhì)量高性能的銀薄膜并不好做，郭教授就此解釋：“通常情況下，制作小于15納米厚或以下的銀薄膜是十分困難的，這只有100個(gè)銀原子厚了，薄膜的連續(xù)性并不好。這樣的情況下，銀原子總是喜歡一群一群聚集在一起形成孤島，而不是一層完整的原子層薄膜。”
不過(guò)，研究團(tuán)隊(duì)最終還是找到了訣竅——在沉積過(guò)程中加入了6%的鋁原子，成功長(zhǎng)出了7納米的銀薄膜（這是理論限制值的一半）。更加神奇的是，他們將其暴露在空氣中，摻鋁銀薄膜并沒(méi)有像純銀薄膜一樣產(chǎn)生顏色的變化。并且在幾個(gè)月之后，摻鋁銀薄膜還保持了它原有的導(dǎo)電性能以及透明度，也不會(huì)從玻璃上脫落。就算使用透明膠帶粘，摻鋁銀薄膜也不會(huì)脫落。
表面等離子體共振
除了在顯示方面的應(yīng)用，銀還有著超強(qiáng)的波導(dǎo)能力，特別是能夠?qū)⒖梢?jiàn)光和紅外光在其表面?zhèn)鞑ァ＿@種傳播形式就是表面等離子體，是由入射光引起的銀薄膜表面電磁場(chǎng)的震蕩。
簡(jiǎn)單而言，當(dāng)光波（電磁波）照射在銀薄膜表面時(shí)，銀原子層表面的電荷能與光波耦合。如果銀薄膜尺寸和入射光頻率相符，銀原子層表面的電荷還會(huì)產(chǎn)生震蕩的現(xiàn)象，這就形成了一種特殊的電磁模式——表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance），此時(shí)光波作為電磁波會(huì)被局限在金屬表面并發(fā)生增強(qiáng)。
這種震蕩與銀薄膜的尺寸有關(guān)，也有只有特殊波段的光才能激發(fā)，所以表面等離子體共振能從側(cè)面顯示出光的頻率。那么我們也能利用這樣的原理來(lái)使用光來(lái)傳播信息，這其實(shí)和光纖的效果是一樣的，在一端編碼并發(fā)射光信號(hào)，然后在另一端接收信號(hào)并解碼出傳遞的信息。
但是在摩爾定律的推動(dòng)下，如今的電子電路越來(lái)越小，光纖的尺寸卻還不能縮小到電子芯片中導(dǎo)線那樣的尺寸，那么等離子體光波導(dǎo)也就承擔(dān)了小尺寸世界“光纖”的任務(wù)，比電子傳輸信息的速度快了不止一點(diǎn)半點(diǎn)。而且等離子體傳輸對(duì)于信號(hào)的損耗幾乎是沒(méi)有的，這也使得銀薄膜傳輸數(shù)據(jù)的距離變得很長(zhǎng)，平整的銀薄膜能夠在1厘米的距離完成傳輸，這足以用于計(jì)算機(jī)芯片之中。
銀薄膜等離子體的特性還能用于制作超材料（Metamaterial），這是一種有著非常規(guī)光學(xué)特性的材料，折射率可以為負(fù)，是制作“完美鏡頭（Perfect Lens）”的材料，能夠在衍射極限以下對(duì)物體進(jìn)行成像。如圖所示，由超材料構(gòu)成的超材料超級(jí)透鏡能夠?qū)⑽矬w射出的光線匯聚起來(lái)，進(jìn)行成像。這是常規(guī)光學(xué)鏡頭無(wú)法做到的，這也是超材料超級(jí)透鏡擁有超高分辨率的原因。
超材料以及超材料超級(jí)透鏡示意圖
而將銀薄膜與一些電介質(zhì)組合，例如玻璃，也能夠制作成為另一種的超級(jí)透鏡。如下圖所示，就是超級(jí)透鏡的工作原理，入射光匯集在鏡頭內(nèi)在空氣與玻璃交界處產(chǎn)生的全反射會(huì)產(chǎn)生一種漸逝波（evanescent wave），屬于近場(chǎng)光學(xué)的范疇。而銀薄膜此時(shí)就擔(dān)當(dāng)“光學(xué)傳感器”的職責(zé)，探測(cè)這樣的漸逝波與樣品之間的相互作用，從而得到樣品的尺寸信息。
超級(jí)透鏡的原理
總的來(lái)說(shuō)，使用銀薄膜制成的超級(jí)透鏡是一個(gè)分辨率遠(yuǎn)超平常顯微鏡的光學(xué)透鏡，能夠看到小于光波長(zhǎng)的物體，也能用在芯片上的精準(zhǔn)激光切割。
