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光学工程
拒绝靠边站,金纳米棒们的炫酷组合

纳米超晶格是一种由纳米颗粒周期性有序堆积而形成的新型超材料。超晶格结构中有序排列的近邻纳米颗粒在外部光、电、磁等的激励下会发生相互作用,从而表现出单个纳米颗粒所不具备的集体效应。因而,纳米超晶格被认为是纳米材料向宏观器件的有效过渡,在显示、传感、太阳能电池、光纤通信等领域有着巨大的应用潜力。

液滴挥发自组装技术是构筑超晶格结构的一种简单有效的传统方法。然而,溶剂挥发过程中,液滴内部的外向毛细流动会将悬浮的颗粒携带至液滴边缘,并在边缘沉积成环。这种 “咖啡环效应”(coffee-ring effect)早为人们所熟知。它往往会导致纳米颗粒的不均匀沉积,从而严重影响其排列和自组装的有序性。因此,如何抑制“咖啡环效应”,构筑宏观尺度的纳米自组装超晶格结构,是目前国际上相关领域所亟待解决的难点问题。

中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋研究员与香港城市大学朱剑豪教授合作,建立了一种反咖啡环效应的方法,可有效控制液滴蒸发过程颗粒在基底表面的自组装行为,在纳米自组装三维超晶格阵列领域取得新突破。该研究成果以封面文章的形式发表在材料领域顶级刊物Advanced Materials [28, 2511-2517(2016)]上。

图1 三维超晶格阵列的自组装:(a) Advanced Materials封面图片;(b) 液滴挥发自组装过程示意图;(c) 液滴挥发自组装过程;(d-i) 纳米金超晶格结构的三维共聚焦显微图像和扫描电子显微镜照片

该研究组通过调控金纳米棒的表面化学性质和基底特性,实现了金纳米棒致密、规则的超大规模自组装垂直排列。成功构筑的三维超晶格结构展现出极好的拉曼增强效应和光学均匀性。这一构筑三维超晶格的方法,可有效推广到各种不同的纳米材料。

大规模三维超晶格阵列制备的实现,使得其可望用于表面增强拉曼光谱、荧光增强、太阳能电池、生物芯片等诸多领域。尤为重要的是,该项成果为突破“咖啡环效应”的限制、实现超大规模纳米自组装提供了一种简单有效的方法,在纳米材料与宏观应用之间搭建起了桥梁。


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