納米顆粒（特別是當(dāng)粒徑小于20 nm時）所展現(xiàn)出的諸多新奇光學(xué)性質(zhì)，一直是令無數(shù)研究人員著迷的話題。研究人員一方面不斷探索、發(fā)掘新的現(xiàn)象并嘗試給予解釋，一方面積地嘗試將各種新奇的性質(zhì)應(yīng)用于改善人們的生活。隨著納米顆粒相關(guān)領(lǐng)域研究的蓬勃發(fā)展，高品質(zhì)納米顆粒的合成以及宏量制備已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。然而，隨著研究需求與實(shí)際應(yīng)用需求的不斷提升，不論是實(shí)驗(yàn)抑或是生產(chǎn)，對納米顆粒的定位與組裝的精度和可靠性的要求也越來越高。由于納米顆粒的特殊物性，以及其與襯底及周圍環(huán)境的作用方式，展現(xiàn)出了諸多新奇的特點(diǎn)，從而使得對于顆粒的定位、組裝伴隨著新的挑戰(zhàn)。尤其是當(dāng)顆粒粒徑小于20納米時，迄今仍缺少簡單工藝兼容性好、度高的組裝及定位方式。有鑒于前述問題，南京大學(xué)張偉華教授與魯振達(dá)教授課題組，發(fā)展了一種改性模板技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高精度的納米顆粒組裝技術(shù)。相關(guān)成果以 “Deterministic Assembly of Single Sub-20 nm Functional Nanoparticles Using a Thermally Modified Template with a Scanning Nanoprobe”為題目刊載于知名材料科學(xué)刊物Advanced Materials上。南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院官網(wǎng)，亦對此工作進(jìn)行了詳細(xì)報道。
以下內(nèi)容轉(zhuǎn)載自南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院官網(wǎng)
“ 當(dāng)尺寸下降到20納米或以下時，納米顆粒常會呈現(xiàn)出宏觀所不具備的特性，如分立能，高吸收性，超順磁等。特別的，半導(dǎo)體納米顆粒（量子點(diǎn)）由于其特的量子發(fā)光特性，已被廣泛的應(yīng)用在顯示、傳感、量子信息處理等領(lǐng)域。今天，隨著合成技術(shù)的發(fā)展，各類功能納米顆?？煽氐暮铣梢呀?jīng)成為現(xiàn)實(shí)，但如何將這些納米“樂高”逐個拼接在一起，組成復(fù)雜結(jié)構(gòu)甚至器件仍是一個未決的難題。為此，在過去二十年間科學(xué)家嘗試了各種技術(shù)路徑，通過化學(xué)修飾、靜電、顆粒操控等方法實(shí)現(xiàn)了微米及亞微米顆粒的組裝。但對于20納米之下的顆粒，由于顆粒-襯底相互作用弱，迄今仍缺少簡易、、廣適用面的組裝方法。目前相對有效的方法依賴表面化學(xué)改性與靜電作用，其模板制備復(fù)雜，僅針對單一材料，難以制備納米顆粒團(tuán)簇，更無法解決多種材料異質(zhì)集成的問題。
有鑒于此，張偉華教授與魯振達(dá)教授課題組合作開發(fā)了一種基于熱掃描探針改性模板的單顆粒組裝技術(shù)。該技術(shù)將掃描探針的針尖加熱至900 ℃以上，可對聚合物表面刻蝕的同時實(shí)現(xiàn)表面改性，使微結(jié)構(gòu)區(qū)域的表面能顯著升高。實(shí)驗(yàn)測量與理論計算顯示，改性后局域吸附能的提高可達(dá)2倍以上，從而大幅度提高了納米顆粒在改性區(qū)域的組裝效率。此外，表面能的升高也使液面在微結(jié)構(gòu)內(nèi)的接觸角降低，增強(qiáng)了顆粒所受毛細(xì)力，使其更易于被束縛在微結(jié)構(gòu)當(dāng)中。
圖1熱表面改性模板輔助納米組裝技術(shù)示意圖：模板制備與納米組裝過程
該方法不涉及特殊化學(xué)鍵或靜電作用，為此對納米顆粒的材料沒有特定要求，相比于傳統(tǒng)方法具有更廣的適用性。為證實(shí)這一點(diǎn)，文章演示了包括單顆10納米量子點(diǎn)（65%），20納米金顆粒（95%），20納米聚苯乙烯熒光小球（97%）等材料的組裝。通過調(diào)整微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，該方法能還夠制備金納米顆粒各種規(guī)則形狀的密堆團(tuán)簇。
圖2小尺寸納米顆粒的組裝結(jié)果 a)10納米量子點(diǎn) b)20納米聚苯乙烯熒光小球 c)20納米金顆粒 d)20納米金顆粒的各種規(guī)則密堆團(tuán)簇
此外，由于該方法基于掃描探針技術(shù)可獲取表面形貌信息，使得多步組裝結(jié)構(gòu)的對準(zhǔn)成為可能。利用此優(yōu)勢，工作演示了量子點(diǎn)-納米銀線耦合結(jié)構(gòu)的制備，展示了該技術(shù)在多材料跨尺度異質(zhì)面的巨大潛力。
圖3量子點(diǎn)-銀納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備 a)制備過程示意圖 b1)單根銀納米線光鏡照片 b2)對應(yīng)的銀納米線形貌掃描圖 b3)在銀納米線頂部制備微結(jié)構(gòu) b4)組裝量子點(diǎn)后的熒光圖像
由于其高精度、高確定性與廣適用面，并可與已有工藝結(jié)合，該方法有望為集成量子光學(xué)信息、光學(xué)超分辨、納米生化傳感器等方向帶來更多的可能性，推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展?！ ?strong>”
在此論文當(dāng)中所談及的熱掃描探針光刻技術(shù)（thermal scanning probe lithography，t-SPL），衍生于IBM Research的研發(fā)成果，是近年來發(fā)展起來的一種可快速、可靠、高精度地實(shí)現(xiàn)納米圖案制備的直寫技術(shù)，其技術(shù)核心是利用加熱針尖的熱能來誘導(dǎo)局部材料的改性，從而實(shí)現(xiàn)圖案化。由于特的技術(shù)原理，使其具有刻寫圖案精度高（水平方向特征線寬15 nm/縱向臺階精度2 nm）、原位成像/閉環(huán)光刻、套刻與拼接精度高（25 nm）等諸多優(yōu)勢。
熱掃描探針刻寫技術(shù)的更多信息：
可參考刊載于Microsystems & Nanoengineering（volume 6, Article number: 16 (2020)）的綜述“Thermal scanning probe lithography—a review”。
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