基于有机胶体模板的宏观尺度纳米结构阵列构筑及其器件效能的结构相关性研究

Macro-sized nanostructured arrays are the important basis of the next generation of detection devices. Aiming at the key issues in fabrication of the nanostructured arrays based on templates, or the template-structural diversity, the array’s morphological tunability and substrate-independence, etc., in this project, we take the noble metals and typical oxide semiconductors as the material systems, with help of laser-irradiation and plasma etching technologies, to study on fabrication of the macro-sized nanostructured arrays based on organic colloidal templates and the structural dependence of device performances, mainly including: (i) structural design, realization rute and manipulation method of the large sized organic colloidal templates; (ii) fabrication of the macro-sized nanostructured arrays based on the templates as well as their structural evolution and control; (iii) morphological modification and manipulation of the nanostructured arrays’ building blocks; (iv) the nanostructured arrays’ properties and the arrays’ structural dependence of the device performances (such as gas sensing, surface enhanced Raman scattering and surface wettability). The goals of this project are to realize the structural diversity and substrate-independence of the large-sized organic colloidal templates; reveal the structural evoloution rules and control routes during fabrication of the nanostructured arrays; establish the relations between the device performances and arrays’ structures, and so on. This study could, not only, provide the new ideas and materials’ basis for design and development of new detection devices, but also have the scientific importance in deep understanding of the arrays’ growth processes and performance-enhanced mechanisms.

宏观尺度纳米结构阵列是下一代探测器件的重要基础，本项目针对基于模板的纳米结构阵列构筑中存在的关键问题，即模板结构的多样性、阵列形态的调制性、以及衬底的随意性等，以贵金属及典型氧化物半导体为材料体系，结合激光辐照与等离子体侵蚀技术，开展基于有机胶体模板的宏观尺度纳米结构阵列构筑及其器件效能的结构相关性研究，主要包括：大尺寸有机胶体模板的结构设计、实现途径与加工方法；基于模板的宏观尺度纳米结构阵列的构筑及其结构演变与控制；纳米结构阵列单元的形态加工与操控；纳米结构阵列的性能及其器件效能【气敏特性、表面增强拉曼散射特性、表面浸润性等】的结构相关性等。旨在实现大尺寸有机模板的结构多样性与衬底随意性，揭示纳米结构阵列制备过程中的结构演化规律与控制途径、器件效能与结构间的关系等。这不仅可为新型探测器件的设计与研制提供依据和材料基础，而且对深入理解阵列的生长过程及其性能的增强机制具有科学意义。

宏观尺度纳米结构阵列是下一代器件的重要基础，本项目组针对基于模板的纳米结构阵列构筑中存在的关键问题，即模板结构的多样性、阵列形态的调制性、以及衬底的随意性等，以贵金属及典型氧化物半导体为材料体系，结合有关刻蚀技术，开展了基于有机胶体模板的宏观尺度纳米结构阵列构筑及其器件效能的结构相关性研究，主要包括：大尺寸有机胶体模板的结构设计制备与加工；基于模板的宏观尺度纳米结构阵列的构筑；纳米结构阵列单元的形态加工与操控；纳米结构阵列的性能及其器件效能[气敏特性、表面增强拉曼谱学(SERS)特性等]的结构相关性与应用初探。取得了主要进展如下。.发展了气/液界面自组装的模板制备技术，可控制备了晶圆尺寸的大面积(>75cm2)均匀有机模板；结合其可转移特性与刻蚀技术，实现了模板结构多样性。.发明了多种敏感纳米结构的构筑方法，包括：(i)基于胶体模板溶液浸渍的单层多孔阵列制备策略，(ii) 基于有机模板-反应离子刻蚀的硅基纳米结构阵列可控制备方法，(iii) 基于溶液浸渍-有机模板无损转移的多层氧化物微/纳结构有序孔薄膜逐层构筑策略，(iv) 基于硅基纳米锥阵列平台原位转化反应的微/纳结构阵列制造策略等。.针对若干典型有害气体分子的痕量检测要求，研制了多种纳米结构器件，揭示了多层氧化物微/纳结构有序孔阵列薄膜器件光照下的气敏特性、In2O3微/纳结构多孔阵列薄膜器件对H2S的室温超强气敏特性。.发展了与晶圆相结合的纳米结构SERS芯片批量制备方法，设计了基于纳米结构 SERS芯片的手持式拉曼检测原理样机，实现了对某些毒性分子的痕量检测。.这些进展，不仅可为某些高敏感传感器件与芯片提供简便、高效的制作方法与材料基础，而且对深入理解阵列的生长过程及其性能的增强机制具有科学意义。相关结果已发表SCI论文21篇、专著章节2篇，授权发明专利4项，正在受理的发明专利8项，获软件著作权登记3项、企业标准3项。