基于嵌段共聚物模板的图案化金属纳米结构的构筑

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纳米构筑单元的有序化规则排布不仅有利于我们研究构筑过程中的物理化学过程,而且在实际应用中大有可为。本论文工作以发生了微相分离的图案化嵌段共聚物薄膜作为模板,系统地研究了各类金属纳米结构在该类模板上的构筑及其潜在应用。经过不断的设计和实验,我们获得了一些有意义的结果,归纳如下:  (一)在传统的各向同性金属纳米粒子(如水溶性金纳米球)组装方面,我们利用静电相互作用诱导了这种金纳米粒子在PS-b-P2VP嵌段共聚物薄膜表面的有序线性组装。在对粒子组装动力学进行细致探讨后,我们发现嵌段共聚物模板表面的缓慢变化显著地影响了纳米粒子组装的位置选择性。在对粒子组装速度与薄膜表面演变速度的耦合进行优化后,我们成功获得了粒子密度和位置选择性俱佳的纳米粒子阵列。这部分结果有助于丰富人们对纳米粒子组装过程的认识,并开始正视之前被忽略的影响组装过程的变量因素。  (二)在新颖的各向异性金属纳米粒子组装方面,我们原创性地提出了将等离子体刻蚀的PS-b-PMMA嵌段共聚物薄膜作为普适性的模板用于金纳米棒和钯纳米立方体等各向异性纳米粒子的有序图案化组装,同时也为水溶性纳米粒子的组装提供了一种新思路。从形状各向异性着手,我们详细研究了这种模板化组装的过程与机理,并且讨论了影响纳米粒子组装方式的重要因素——尺寸匹配性。通过调控嵌段共聚物模板的分子量和纳米粒子溶液浓度还可实现纳米粒子阵列结构的间距与密度可控。此外,我们还在这些各向异性纳米粒子阵列结构的潜在应用方面进行了一定的尝试和探索。  (三)在复杂的金属纳米复合结构构筑方面,我们仅仅只利用了PS-b-P2VP嵌段共聚物薄膜中的功能性P2VP相便设计并构筑了一类金属纳米复合结构。通过in-situ和ex-situ方法的巧妙组合与精确控制,我们提出了三种截然不同的策略用于制备单金属双组分或者双金属双组分的纳米复合结构,即有意识地充分利用P2VP嵌段的络合能力、引入残留的P2VP嵌段和引入功能性小分子,最终获得了一种新颖的“点在线上”金属纳米复合结构。这些结果为更多组分、更多层次以及更多功能性的纳米材料的制备埋下了伏笔。  本论文工作充分结合了“Top-down”和“Bottom-up”的制造理念,以简单的物理原理和常见的化学作用为基础,以纳米材料的有序排布及应用为导向,在嵌段共聚物模板上制备了形式多样化的金属纳米结构图案。我们相信这些结果能够为纳米尺度结构制备的一些基本科学问题带来解决思路与方案,使人们重新认识基于嵌段共聚物模板的金属纳米结构构筑的重要研究价值和巨大应用前景。
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