南大张伟华&鲁振达团队丨热扫描探针刻写助力单量子点确定性组装

发布日期：2020-12-31

纳米颗粒（特别是当粒径小于20 nm时）所展现出的诸多新奇光学性质，一直是令无数研究人员着迷的话题。研究人员一方面不断探索、发掘新的现象并尝试给予解释，一方面积极地尝试将各种新奇的性质应用于改善人们的生活。随着纳米颗粒相关领域研究的蓬勃发展，高品质纳米颗粒的合成以及宏量制备已经成为现实。然而，随着研究需求与实际应用需求的不断提升，不论是实验抑或是生产，对纳米颗粒的定位与组装的精度和可靠性的要求也越来越高。由于纳米颗粒的特殊物性，以及其与衬底及周围环境的作用方式，展现出了诸多新奇的特点，从而使得对于颗粒的定位、组装伴随着新的挑战。尤其是当颗粒粒径小于20纳米时，迄今仍缺少简单高效、工艺兼容性好、精确度高的组装及定位方式。有鉴于前述问题，南京大学张伟华教授与鲁振达教授课题组，发展了一种改性模板技术来实现高精度的纳米颗粒组装技术。相关成果以 “Deterministic Assembly of Single Sub-20 nm Functional Nanoparticles Using a Thermally Modified Template with a Scanning Nanoprobe”为题目刊载于知名材料科学刊物Advanced Materials上。南京大学现代工学院官网，亦对此工作进行了详细报道。

以下内容转载自南京大学现代工学院官网

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当尺寸下降到20纳米或以下时，纳米颗粒常会呈现出宏观世界所不具备的特性，如分立能级，高吸收性，超顺磁等。特别的，半导体纳米颗粒（量子点）由于其独特的量子发光特性，已被广泛的应用在显示、传感、量子信息处理等领域。今天，随着合成技术的发展，各类功能纳米颗粒可控的合成已经成为现实，但如何将这些纳米“乐高”逐个拼接在一起，组成复杂结构甚器件仍是一个未决的难题。为此，在过去二十年间科学家尝试了各种技术路径，通过化学修饰、静电、颗粒操控等方法实现了微米及亚微米颗粒的组装。但对于20纳米之下的颗粒，由于颗粒-衬底相互作用极弱，迄今仍缺少简易、高效、精确、广适用面的组装方法。目前相对有效的方法依赖表面化学改性与静电作用，其模板制备复杂，仅针对单一材料，难以制备纳米颗粒团簇，更无法解决多种材料异质集成的问题。

有鉴于此，张伟华教授与鲁振达教授课题组合作开发了一种基于热扫描探针改性模板的单颗粒组装技术。该技术将扫描探针的针尖加热900 ℃以上，可对聚合物表面刻蚀的同时实现表面改性，使微结构区域的表面能显著升高。实验测量与理论计算显示，改性后局域吸附能的提高可达2倍以上，从而大幅度提高了纳米颗粒在改性区域的组装效率。此外，表面能的升高也使液面在微结构内的接触角降低，增强了颗粒所受毛细力，使其更易于被束缚在微结构当中。

图1热表面改性模板辅助纳米组装技术示意图：模板制备与纳米组装过程

该方法不涉及特殊化学键或静电作用，为此对纳米颗粒的材料没有特定要求，相比于传统方法具有更广的适用性。为证实这一点，文章演示了包括单颗10纳米量子点（65%），20纳米金颗粒（95%），20纳米聚苯乙烯荧光小球（97%）等材料的高效组装。通过调整微结构的几何尺寸，该方法能还够制备金纳米颗粒各种规则形状的密堆团簇。

图2小尺寸纳米颗粒的组装结果 a)10纳米量子点 b)20纳米聚苯乙烯荧光小球 c)20纳米金颗粒 d)20纳米金颗粒的各种规则密堆团簇

此外，由于该方法基于扫描探针技术可精确获取表面形貌信息，使得多步组装结构的精确对准成为可能。利用此优势，工作演示了量子点-纳米银线耦合结构的制备，展示了该技术在多材料跨尺度异质面的巨大潜力。

图3量子点-银纳米线异质结构的制备 a)制备过程示意图 b1)单根银纳米线光镜照片 b2)对应的银纳米线形貌扫描图 b3)在银纳米线顶部制备微结构 b4)组装量子点后的荧光图像

由于其高精度、高确定性与广适用面，并可与已有工艺结合，该方法有望为集成量子光学信息、光学超分辨、纳米生化传感器等方向带来更多的可能性，推动相关领域的发展。

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在此论文当中所谈及的热扫描探针光刻技术（thermal scanning probe lithography，t-SPL），衍生于IBM Research的研发成果，是近年来发展起来的一种可快速、可靠、高精度地实现纳米级图案制备的直写技术，其技术核心是利用加热针尖的热能来诱导局部材料的改性，从而实现图案化。由于独特的技术原理，使其具有刻写图案精度高（水平方向特征线宽15 nm/纵向台阶精度2 nm）、原位成像/闭环光刻、套刻与拼接精度高（25 nm）等诸多优势。

热扫描探针刻写技术的更多信息：

1.  可参考刊载于Microsystems & Nanoengineering（volume 6, Article number: 16 (2020)）的综述“Thermal scanning probe lithography—a review”。