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光學工程
拒絕靠邊站,金納米棒們的炫酷組合

納米超晶格是一種由納米顆粒周期性有序堆積而形成的新型超材料。超晶格結構中有序排列的近鄰納米顆粒在外部光、電、磁等的激勵下會發生相互作用,從而表現出單個納米顆粒所不具備的集體效應。因而,納米超晶格被認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、光纖通信等領域有著巨大的應用潛力。

液滴揮發自組裝技術是構筑超晶格結構的一種簡單有效的傳統方法。然而,溶劑揮發過程中,液滴內部的外向毛細流動會將懸浮的顆粒攜帶至液滴邊緣,并在邊緣沉積成環。這種 “咖啡環效應”(coffee-ring effect)早為人們所熟知。它往往會導致納米顆粒的不均勻沉積,從而嚴重影響其排列和自組裝的有序性。因此,如何抑制“咖啡環效應”,構筑宏觀尺度的納米自組裝超晶格結構,是目前國際上相關領域所亟待解決的難點問題。

中國科學院深圳先進技術研究院喻學鋒研究員與香港城市大學朱劍豪教授合作,建立了一種反咖啡環效應的方法,可有效控制液滴蒸發過程顆粒在基底表面的自組裝行為,在納米自組裝三維超晶格陣列領域取得新突破。該研究成果以封面文章的形式發表在材料領域頂級刊物Advanced Materials [28, 2511-2517(2016)]上。

圖1 三維超晶格陣列的自組裝:(a) Advanced Materials封面圖片;(b) 液滴揮發自組裝過程示意圖;(c) 液滴揮發自組裝過程;(d-i) 納米金超晶格結構的三維共聚焦顯微圖像和掃描電子顯微鏡照片

該研究組通過調控金納米棒的表面化學性質和基底特性,實現了金納米棒致密、規則的超大規模自組裝垂直排列。成功構筑的三維超晶格結構展現出極好的拉曼增強效應和光學均勻性。這一構筑三維超晶格的方法,可有效推廣到各種不同的納米材料。

大規模三維超晶格陣列制備的實現,使得其可望用于表面增強拉曼光譜、熒光增強、太陽能電池、生物芯片等諸多領域。尤為重要的是,該項成果為突破“咖啡環效應”的限制、實現超大規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用之間搭建起了橋梁。


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