纳米切割与胶体刻蚀结合制备多元微纳结构及其组装研究

新一代的材料将受益于新颖构筑基元的设计、程序化合成与组装以满足特定的功能性需求。纳米切割，作为制备纳米结构的新技术，结合了在图案化基底沉积薄膜以及利用超薄切片机进行切割，突出了对截面结构的调控；而胶体刻蚀对所构筑的纳微结构具有着很强的控制能力，不仅包括平行于基材的（X、Y）方向还包括垂直于基材的（Z）方向，二者相结合，可以为更多、更新颖纳米结构的制备乃至高级组装体的构筑提供条件。本项目利用改性胶体刻蚀，结合纳米切割技术，发挥它们对微纳结构控制的各自优势，发挥它们操作简便、制备快速的特点，调整微结构形状、大小及组成，并通过切割角度的控制，构筑多种新颖的多元纳米结构，进一步可通过偶联、自组装以及电磁操控等手段，形成具有多级结构并有一定功能的组装体。基于纳米结构实现多重响应的性质而展开相关研究，为它们在催化，光学，电子学和传感器等领域的应用奠定基础。

微纳结构以其独特的尺寸效应近年来一直是科学家们关注的重点，进一步改变结构的材料组成而构筑多元微纳结构会赋予其更大的应用潜力。贵金属微纳结构具有独特的催化和等离子体共振性质，使其在微运载器、光学传感以及化学检测等领域有着广泛的应用。在诸多制备微纳结构的方法中，胶体刻蚀技术是一种灵活高效的制备手段，而且它从胶体微球出发，结合了“自上而下（top-down）”和“自下而上（bottom-up）”两大类微构造手段，可灵活制备多种周期性微结构；而纳米切割是一种新兴的纳米结构构筑方法，可对包埋在聚合物基质中的金属结构进行超薄切片（20~1000 nm），具有产率高、成本低、对纳米结构尺寸控制精确的特点。将胶体刻蚀与纳米切割有机地结合起来，可灵活方便地制备多种微纳结构并极大拓宽其应用范围。我们以普通的胶体微球作为构筑基元，将其初步组装成为胶体晶体，进一步结合胶体刻蚀技术，成功制备了多种二元/三元的不对称微粒以及具有光学异透作用的三维锥孔阵列结构；进一步对不对称微粒进行不同方向的纳米切割，可得到新颖的异质环形和相对的月牙结构，并初步探索了不对称微粒之间的组装行为，为其应用奠定了基础；我们还利用可控沉积所具有的纳米级的精确度，结合纳米切割技术制备小于10 nm的纳米间隙阵列，间隙尺寸可调控，测试了不同尺寸间隙的拉曼增强性质，探讨了这种间隙结构的等离子体共振性质；进一步，利用纳米切割可连续切片的特点，叠加多片二维纳米间隙阵列构筑三维纳米间隙阵列结构，填补三维纳米间隙的空白，并得到非常高的电场强度，给出了相关解释机理，这些新颖的微纳结构将在光学传感、单分子检测上有极大的应用前景；特别地，调整沉积金属的种类和次序，可制备三维手性纳米间隙，间隙中会产生立体化的手性电磁场，为检测分子的立体化学性质（如分子手性）提供很大便利。