多种纳米线混合阵列的“水力钳”可控组装方法研究

How to efficiently assemble nanowires quantificationally and qualitatively is one of the main obstacles for the application of ordered-nanowire-array based nanodevices and NEMS. Of all the present nanowire assembly techniques, however, some have to put restrictions on the material of involved nanowires, some only can be applicable to nanowire arrays of specific patterns, or have to be limited with low yields. The distribution pattern of assembled nanowire arrays, such as the location, dimension and density, cannot be precisely controlled generally. In addition, researchers have seldom worked on the assembly of hybrid nanowire arrays. So in this proposal we brought up the idea of 'hydro-tweezers' for nanowire assembly based on microfluidic chips, where a single type or multiple types of nanowire arrays can be easily and controllably assembled based on the interaction between nanowires, the carrying fluids and the underneath substrate. With skillful designs, the tweezers can even be implemented to the manipulation of a single nanowire. The outputs of this projects will provide a feasible approach for the assembly of nanowire arrays, and paved the way for the development and industrialization of multi-functional-nano-sensors.

定性定量地高效可控组装纳米线，是以有序纳米阵列为基础的纳米器件、纳机械系统走向实际应用的瓶颈之一。而现有的组装技术或对纳米线材料有限制、或只适用于某些特定形态的纳米线阵列、或组装效率比较低，一般都不能高效精确地控制纳米线阵列的位置、尺寸和密度。此外，关于多种纳米线混合阵列组装技术的研究，目前仍鲜有人涉足。因此，本项目提出了在微流体芯片反应室内进行纳米线组装的"水力钳"法：通过纳米线、流体、基片三者之间的相互作用，定性定量地高效组装单种或多种纳米线，使得纳米线阵列的分布特征轻松可控；经精心设计，该方法甚至可用于单根纳米线的控制操作。本项目的预期成果将为纳米材料的组装提供新的可行方案，为多功能纳米线传感器的研制和实用化提供前提条件。

定性定量地高效可控组装纳米线，是以有序纳米阵列为基础的纳米器件、纳机械系统走向实际应用的瓶颈之一。现有组装技术包括随机法、表面张力法、剪切力法、定向组装法、电场法、磁场法等，这些方法各有优缺点，或对纳米线材料有限制、或只适用于某些特定形态的纳米线阵列、或组装效率比较低，一般都难以高效精确地控制纳米线阵列的位置、尺寸和密度。此外，关于多种纳米线混合阵列组装技术的研究，目前仍鲜有人涉足。因此，本项目提出并验证了在微流体芯片反应室内进行纳米线组装的“水力钳”法：通过纳米线、流体、基片三者之间的相互作用，定性定量地高效组装单种或多种纳米线，使得纳米线阵列的分布特征轻松可控；经精心设计，该方法甚至可用于单根纳米线的控制操作。项目主要内容为单种或多种纳米线在微流控芯片内的“水力钳”组装法，重要研究成果有：(1) 对纳米线组装的国内外研究现状做了全面深入的调研，通过理论计算和Comsol仿真分析，分析了流道结构、各流速对聚焦流的影响。(2) 多种纳米线混合阵列的可控组装；调整鞘流和样品流的流速，在微反应室基片表面获得多条平行的纳米线阵列。纳米线阵列的宽度和位置可由水力钳的张开和扭曲程度决定；而其密度则取决于样品流的浓度和水力钳的作用时间；纳米线阵列的成分由使用的样品流成分决定。(3) 镍-银异质结构的光传感应用；设计制作镍电极结构，通过水力聚焦法组装银纳米线，制作银纳米线-镍电极光敏传感器，并验证了其光敏特性。 (4) 流体刷纳米线组装法；通过微流道出口与基片之间的相对运动对出口流体进行剪切拉伸，将溶液里的纳米线拉伸呈直线排列。通过精密机械平台的横向移动和纳米线溶液浓度调整可实现纳米线阵列横向间隔的控制。本项目的成果将为纳米材料的组装提供新的可行方案，为多功能纳米线传感器的研制和实用化提供前提条件。