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化学所在微纳米电路制备方面取得重要进展,化

发布时间:2019-07-14 22:30编辑:化学科学浏览(174)

    纳米粒子作为构筑精细结构和器件的基本材料单元,在光电器件等领域具有巨大的应用前景。因而纳米粒子的精确组装与图案化组装成为纳米科技研究领域的一个热点。

    功能纳米材料作为构建具有精细微纳结构的功能器件的基本材料单元,在光、电、磁以及生物等领域的器件制备方面具有重大的意义,因而使得纳米材料的精确组装以及图案化技术成为目前纳米科学技术领域的一大研究热点。

    在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下,中科院化学所绿色印刷重点实验室和有机固体重点实验室的科研人员在纳米粒子制备、组装和应用领域开展了广泛深入的研究。通过结构设计,控制基材的表面能实现了乳胶纳米粒子的打印图案化组装(J. Mater. Chem. 2009, 19, 5499-5502)。进一步利用超疏水低粘附基材进行乳胶粒子组装制备了窄带隙光子晶体(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 17053-17058),并发展了不同纳米粒子图案化组装结构的应用(Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7258-7262;Lab Chip 2012, 12, 3089-3095;Angew. Chem. Int. Ed .**2013,* 52*, 7296-7299)。

    在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下,中科院化学所绿色印刷重点实验室的科研人员利用绿色纳米打印与印刷技术,在功能纳米材料的可控组装、精细图案化技术以及器件应用方面开展了一系列广泛而深入的研究(Adv. Mater. 2014, 26, 6950-6958)。他们通过调控墨水、基材等打印条件,成功制备了一系列特殊结构和图案:利用“咖啡环”现象制备线宽可达5 μm的金属纳米粒子图案(Adv. Mater.**2013, 25, 6714-6718);利用墨水的三相线滑移现象制备了具有特殊三维结构的图案(Adv. Opt. Mater. 2013, 2, 34-38; Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 2237-2242);通过喷墨打印磁性墨水制备了特殊三维柱状结构(Small2015, 11, 1900-1904);利用软基材喷墨打印制备了微坑及凹槽结构(Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 3286-3294)。在应用方面,他们利用这些打印、印刷制备的结构与图案实现了等离子光波传输(Adv. Mater.2014, 26, 2501-2507);高灵敏检测(Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 5791-5795; Nanoscale2015, 7, 421-425);量子点图案(Small 2015, 11, 1649-1654);生物细胞分离(ACS Appl. Mat. Interfaces 2015,* 7*, 9060-9065)等应用。

    在以上研究的基础上, 他们通过构筑微米尺度的模板结构,实现了对基材表面液膜破裂行为的控制,得到了形貌可控的微米线状高分子图案(Small 2013, 9,722-726)。进一步将对液膜破裂的控制与打印过程中的液滴调控相结合,利用咖啡环效应成功得到线宽为5-10 μm的金属纳米粒子图案(Adv. Mater. 2013, 25,6714-6718)。基于以上研究成果,他们提出了一种通过控制液膜破裂实现了多种纳米粒子大面积精确组装的普适方法,并研究了银纳米粒子组装后在等离子光波传输方面的应用。这种新型图案化技术可以简便地进行纳米粒子微、纳米尺度图案的精确组装,可以通过“印刷”方式大面积制备纳米粒子组装的精细图案和功能器件,乃至实现单个纳米粒子的组装与图案化,对印刷技术的功能化和器件化发展具有重要意义。该研究结果发表在近日出版的(Adv. Mater. 2014, 26,2501-2507)上, 并被选为封面论文,前期已申请国际发明专利。

    在这些研究的基础上,他们通过喷墨打印技术构筑微米尺度的电极图案作为“模板”,控制纳米材料的组装过程成功制备了最高精度可达30nm的图案,并实现了柔性电路的应用。这种新型的图案化技术非常简便地实现了功能纳米材料的微纳米精确图案化组装,在过程中完全避免了传统的光刻工艺,这种“全增材制造”的方法通过“先打印,再印刷”的方式,能够大面积制备纳米材料组装的精细图案和功能器件,是“绿色纳米印刷技术”在前沿科学领域实现的一大突破,对印刷技术的功能化和器件化发展有着重大的推动作用。该研究成果发表在近日出版的Adv. Mater. 2015, 27, 3928-3933上。

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    图1 银纳米粒子的图案化组装

    图1 银纳米粒子在硅片上的图案化组装与当期封面

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    图2 基于银纳米线组装制备的柔性微电路芯片

    图2 基于银纳米粒子不同组装线宽与光波导传输的关系

    绿色印刷院重点实验室

    绿色印刷院重点实验室

    2015年9月12日

    2014年5月5日

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