热毛细效应诱导金属纳米颗粒定向团聚的机理研究

Noble metal nanoparticle (NP) assemblies are now frequently used in the applications of photonics，bio/chemical-sensing, energy harvesting with their functionalities to enhance, localize, or guide electronmagnetic radiation. Diameter and density are the defining parameters of noble NP assemlies and controlling them in a facile and reliable way is of pivotal significance for potential applications. Unfortunately, there are limited methods for producing and positioning NPs, and most of these methods have drawbacks, which severely stifles the advances of NP-based applications. For example, lithographic methods via the electron beam or nanosphere patterning are precise in positioning NPs, but they are in general not facile or scalable. As a non-lithographic approach, annealing Au thin films is widely used to generate NP arrays, but it doesn't provide a good control on positioning NPs yet. Thus, the knitics of metal film dewets at high temperature and formed liquid NPs migrate on the substrate are needed. Here, we are going to use two beam pulsed laser interference as the thermal source，form a periodic distribution of temperature pattern on the surface of substrates and find the quantitatively relationship between the magnitude of temperature gradient, the size of liquid NPs, and the displacement of NPs. We hope we can certificate the presumption of metal liquid NPs migration control via an artificial temperature gradient pattern.

在光场照射下，金属纳米颗粒阵列由于颗粒间的电磁耦合，其表面会形成强烈的等离子激元。这种奇特的相互作用使得金属纳米颗粒在生物/化学传感、光催化以及太阳能电池等领域具有广阔的应用潜力。这吸引人们开始关注金属微纳米结构阵列的制备方法。相对于基于微加工技术的光刻/电子束直写法而言，对金属薄膜退火是一种直接得到金属纳米颗粒阵列的有效手段，因此薄膜受热后的形貌变化、形成的液态纳米颗粒在衬底上运动的动力学更值得我们深入研究。本项目将采用激光加热的方式，使用两束相干的脉冲激光对衬底进行加热。相干光束在其表面形成周期分布的温度梯度场，使我们得以研究衬底表面的金属薄膜被熔解并形成颗粒后，液态的纳米颗粒在温度梯度驱动下的移动（热毛细效应），尝试建立模型解释温度梯度大小与金属颗粒尺寸、颗粒位移等参数之间的关联，希望能发明一种通过定向驱动纳米颗粒来制备有序金属纳米颗粒阵列的手段。

本项目计划探索一种与现有主流微加工方法不同的手段，希望具备精确控制微结构且步骤简单的优点。其基本思路是在衬底表面形成温度梯度场，利用热毛细管力驱动液态金属纳米颗粒定向运动，形成预定图案。本项目实际执行期间，我们使用双光束相干激光做热源，对金属薄膜进行退火，获得了预期中的金纳米颗粒的高密度线状周期性排列。颗粒的大小，密度可以通过初始薄膜厚度，激光能量调节。为了进一步促进金属纳米颗粒的团聚，有机物缓冲层第一次被引入到金属薄膜层与衬底之间，结果显示有机膜缓冲层能够有效的控制金属颗粒在退火过程中的团聚度并进一步控制颗粒阵列的共振吸收峰。此外，为了克服瑞利不稳定性对金属纳米颗粒有序度的影响，我们创新的利用自组装阳极氧化铝模板底部周期性的凹凸变化来对镀在其上的金属薄膜的厚度进行周期性的调制，进而在激光退火后得到有序的金属纳米颗粒阵列。最后，我们进行了以增强微纳平面结构与光波导（以微纳光纤为例）相互作用为目地的研究。发现低表面能的衬底能够较好的吸附微纳光纤，增强光与微纳平面结构的相互作用。上述尝试皆获得了一定的结果，为未来的光学器件研究工作奠定了基础。