【摘 要】
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纳米材料界面组装是将纳米材料“走出烧杯”、迈向应用的关键一步。得益于纳米材料丰富而优异的性质,发展其高质量的、确定性的、图案化的界面组装技术为研究粒子间光电磁相互耦合或传输、发展变革性微纳器件提供了重要的工具。但是如何将纳米材料高精度、大范围、高效的排列,是一个巨大的挑战,目前还没有一种方法可以实现快速而可靠的、大范围而高精度的跨尺度组装效果。我们发展了一种“静电吸引+表面吸附”纳米颗粒印刷术,对
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纳米材料界面组装是将纳米材料“走出烧杯”、迈向应用的关键一步。得益于纳米材料丰富而优异的性质,发展其高质量的、确定性的、图案化的界面组装技术为研究粒子间光电磁相互耦合或传输、发展变革性微纳器件提供了重要的工具。但是如何将纳米材料高精度、大范围、高效的排列,是一个巨大的挑战,目前还没有一种方法可以实现快速而可靠的、大范围而高精度的跨尺度组装效果。我们发展了一种“静电吸引+表面吸附”纳米颗粒印刷术,对界面与颗粒间的相互作用力进行了巧妙而有效的调控,实现纳米材料毫米范围（>1 mm）、纳米精度（<10 nm）、无非特异性吸附等优质的组装效果,同时可实现多层纳米颗粒套刻打印,真正做到高分辨彩色纳米打印。此外,该方法还可用于纳米颗粒原位生长和软质液泡的组装,并实现离子和分子的界面图案化组装以及金属离子的原位成核生长。该方法方便、快速、高效,对纳米材料具有普适性,真正实现“离子/分子-纳米团簇-纳米小颗粒-纳米大颗粒-纳米器件”全系列的界面图案化组装。具体研究内容包括以下几个方面:（1）提出一种新的纳米颗粒界面组装机制:目标位置长程力快速富集颗粒、短程力牢固固定颗粒、非目标区域大面积排斥剩余颗粒。发展了一种“静电吸引+表面吸附”纳米颗粒组装方法,该方法用全氟低表面能衬底,借助AFM扫描系统,使用高压探针在衬底表面书写任意图案的电势,再将分散于非极性溶剂的纳米颗粒旋涂于衬底上,即可将纳米颗粒高效地组装到电势位置,而非电势区域无任何非特异性吸附。在这个过程中,可同时满足以上三个力的调控:电势区域电梯度力作为长程力,快速吸引纳米颗粒到界面电势位置;同时高压使电势区域的-CF被部分改性为-COOH,改性官能团产生的化学吸附力作为短程力,对纳米颗粒牢固固定;疏水疏油的低表面能衬底与高速旋涂产生的离心力,保证非目标区域大面积排斥。组装范围可达但不限于1 mm,位置精度小于10 nm,最小点间距可到200 nm（12500 Dots Per Inch,DPI）,组装量可通过电势大小调控,组装误差率小于2×10-6,重复性接近100%。（2）通过重复“电势书写-颗粒组装”的循环,该方法可获得不同纳米颗粒的多层组合图案,套刻层数可达但不限于四层,套刻精度可达58 nm,套刻过程无交叉破坏或污染。我们使用了四种纳米颗粒,模仿打印了法国画家亨利·马蒂斯的著名画作和经典三原色图,真正实现了彩色纳米打印。（3）通过该方法可制作微纳导线等连续图案,使用5 nm的金颗粒,制作了线间隔1μm、线宽150 nm的叉指电极,由于非极性溶剂中没有静电排斥,电极上的金颗粒可密排,有望在金属纳米导线上实现应用。（4）得益于全氟衬底的低表面能和改性后对颗粒的固定,金纳米颗粒在组装后可实现原位可控生长,生长过程可通过光学显微镜原位观察。碘化钾的加入解决了生长液中单体自成核和界面颗粒生长的矛盾。该工作拓展了颗粒组装后的后处理过程,增加了纳米材料界面行为调控工具,为基于纳米颗粒的微纳器件的性能优化奠定了基础。（5）除硬质的纳米颗粒外,软质液泡也可通过该方法实现界面上的定向输送。以反向胶束为载体的水溶性金属离子和染料分子,可利用该方法形成离子或分子图案。其中金属离子图案可通过原位还原和原位生长,生成金属颗粒图案,实现了“单体-成核-生长”过程在常温常压下的全界面化;染料分子可通过荧光显微镜观察到信噪比良好的分子发光图案。该方法有望为大规模纳米材料图案化组装和多功能纳米粒子集成提供了一个有效的工具,在下一代非硅基光子光电器件和生物医学器件等领域具有广阔的应用前景。
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