高效可控制备微/纳米条形码的新方法研究

微/纳米条形码即带有编码信息的微/纳米颗粒，除光刻工艺外主要利用纳米材料的化学合成方法制备，其过程还停留在手动和半手动状态，无法精确控制所得材料的组成、尺寸等关键参数，无法得到定义清晰且无误码的微/纳米条形码。本申请计划通过开发计算机控制的相关软硬件，发展纳米条形码的自动制备手段。其关键科学问题是精确控制制备过程中的条件参数，精确调节编码颗粒中各部分的化学组成和尺寸，从而直接将数字编码信息转化为实际的编码颗粒。主要研究内容包括自动高效制备不同组成、不同掺杂、指定编码的多金属纳米条形码和半导体纳米线条形码；使用光学显微镜，扫描电镜，能谱扫描等表征条形码的结构，验证制备系统的有效性，寻找匹配的解码方法，并初步探索其应用。本项目的研究成果不仅可发展一种高效可控制备微纳米条形码的新方法，而且在复杂结构的微纳米材料和智能材料等的设计制备中具有重要的应用前景。

微/纳米条形码携带有精细的编码信息，若利用现有的化学合成方法来手动或半手动制备，由于无法精确控制所得材料的组成、尺寸等关键参数，从而难以得到定义清晰且无误码的结构。在本项目执行过程中，我们设计实现了一套完整的微/纳米条形码的自动合成系统。该系统由自行设计搭建的电化学工作站子系统及电镀液输送分配子系统两部分组成，所有组件均由统一软件平台完全控制。该系统充分结合了单槽脉冲电沉积及多镀液顺序电沉积这两个基本功能，可实现电流或电位波形及电镀液组分的完全操控。利用该自动合成系统，任意复杂模式的双金属、多金属及半导体材质微/纳米条形码的可控合成得以成功实现。借助多硫化钠硫化技术，我们还成功地将条形码纳米线上Ag，Cu，Pb等多种金属小段选择性地转化为其硫化物，得到了多种硫化物半导体异质结结构；同时利用原位选择性氧化技术，条形码上的Fe段可被选择性地转化为Fe3O4，成功得到了金属-金属氧化物异质结结构。项目执行过程中我们成功定型了电化学自动合成系统软硬件平台一套，目前已基本接近商业成熟水平。同时，利用本研究中积累的知识和技能，我们开展了多项实际工业电化学过程应用研究并取得了一定的成果。