深圳先進(jìn)院等在納米自組裝三維超晶格光學(xué)芯片研究中獲進(jìn)展

　　近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員喻學(xué)鋒與香港城市大學(xué)教授朱劍豪合作，在納米自組裝三維超晶格光學(xué)芯片領(lǐng)域取得新突破。相關(guān)論文Evaporative Self-Assembly of Gold Nanorods into Macroscopic 3D Plasmonic Superlattice Arrays (DOI: 10.1002/adma.201505617) 已被材料學(xué)刊物Advanced Materials封面報(bào)道(Inside Front Cover)。

　　納米超晶格（superlattice）是一種由納米顆粒周期性有序堆積而形成的新型超材料。超晶格結(jié)構(gòu)中，有序排列的相鄰納米顆粒在光、電、磁等作用下會(huì)彼此互相作用，從而產(chǎn)生納米顆粒本身不具備的整體集合性能，因而，納米超晶格被認(rèn)為是納米材料向宏觀器件的有效過渡，在顯示、傳感、太陽能電池、光纖通信等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。液滴揮發(fā)自組裝技術(shù)是構(gòu)筑超晶格結(jié)構(gòu)的一種簡單有效的傳統(tǒng)方法。然而，溶劑揮發(fā)過程中，液滴內(nèi)部的外向毛細(xì)流動(dòng)會(huì)將懸浮的顆粒攜帶至液滴邊緣，并在邊緣沉積形成環(huán)狀。這種人們熟知的“咖啡圈效應(yīng)”（coffee-ring effect）往往導(dǎo)致納米顆粒的不均勻沉積，從而嚴(yán)重影響其排列和有序自組裝。因此，如何抑制“咖啡圈效應(yīng)”，構(gòu)筑宏觀尺度的納米自組裝超晶格結(jié)構(gòu)，是目前國際上相關(guān)領(lǐng)域所亟待解決的難點(diǎn)問題。

　　為解決這一難題，該課題組成員李鵬輝、李泳等研究建立了一種反咖啡圈效應(yīng)的方法，可有效控制液滴蒸發(fā)過程顆粒在基底表面的自組裝行為。以金納米棒為例，通過簡單調(diào)控顆粒的表面化學(xué)性質(zhì)和基底特性，即可實(shí)現(xiàn)金納米棒致密、規(guī)則、垂直的超大規(guī)模自組裝排列，成功實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑厘米尺度的三維超晶格結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出極好的拉曼增強(qiáng)效應(yīng)和光學(xué)均勻性。并且，通過詳細(xì)的機(jī)理分析，給出了構(gòu)筑這種三維超晶格的有效方法，可推廣到各種不同的納米材料。

　　該項(xiàng)成果實(shí)現(xiàn)了厘米尺度三維超晶格光學(xué)芯片的大規(guī)模制備，可廣泛用于表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）、熒光增強(qiáng)、太陽能電池、生物芯片等諸多領(lǐng)域；更為重要的是，該項(xiàng)成果為突破“咖啡圈效應(yīng)”的限制，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模納米自組裝提供了一種簡單有效的方法，在納米材料與宏觀應(yīng)用之間搭建起了橋梁，對納米科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。

　　該課題獲得國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委等項(xiàng)目資助。 

　　圖：(a)Advanced Materials封面圖片；(b) 液滴揮發(fā)自組裝過程示意圖；(c) 液滴揮發(fā)自組裝過程；（d-i）納米金超晶格結(jié)構(gòu)三維圖和掃描電子顯微鏡照片。