Advanced Materials Interfaces:纳米突出富集衬底:提升离子溅射纳米颗粒均匀性的普适性策略

近年来,纳米颗粒膜因其优异的光学、磁学、热学和电学等性质而备受关注。纳米颗粒膜已被广泛地应用在海水淡化、太阳能光伏、生物医学传感器、表面增强拉曼光谱以及磁性纳米器件等领域。纳米颗粒膜由纳米颗粒构成,颗粒形状和尺寸的均匀性是影响膜物理性质和应用性能的关键参数。

离子溅射法是制备纳米颗粒膜最广泛使用的一种方法,具有快捷、高效、无污染和大面积制备等优点。因此,大部分的物理或材料实验室都有一台或多台离子溅射镀膜装置。然而,离子溅射法在控制纳米颗粒尺寸和形状均匀性方面还有待提升。例如,对于通过离子溅射法在碳基底上制备的金纳米颗粒薄膜,其颗粒尺寸分布的相对标准偏差(RSD)甚至超过了100%。除了尺寸不均匀之外,溅射法制得的纳米颗粒通常呈多种且不规则的形状,包括球形、椭圆形、多边形等。尺寸和形状的不均匀性在很大程度上限制了纳米颗粒膜的应用。

最近,针对尺寸和形状不均匀性问题,中国科学院近代物理研究所材料研究中心的研究人员提出利用纳米突出富集衬底替代常用的平面衬底,可以大幅提升纳米颗粒尺寸和形状的均匀性。根据薄膜生长理论,薄膜形成包括四个过程:成核、扩散、粗化和连续成层。其中,成核和扩散具有随机性,是导致纳米颗粒尺寸和形状不均匀的根源。针对这一点,科研人员提出利用纳米突出(Nanoprotrusions, NPTs)富集衬底替代平面衬底的策略可以显著提升溅射纳米颗粒的尺寸与形状均匀性。首先, 纳米突出可以预定溅射原子(簇)的初始成核位置从而降低成核随机性。其次,利用其空间限域效应可以降低扩散的随机性。最后,利用阴影效应可以实现在纳米突出顶部的优先生长。与常用的平面衬底相比,纳米突出富集衬底使颗粒尺寸均匀性提高了55%。研究人员发现该策略具有普适性并在不同材料和衬底体系(Au/PC、Ag/PET和ITO/PET)得到验证。此外,此策略使得纳米颗粒膜微观形貌对溅射速率具有高度的容忍性,这一点与平面衬底非常不同。

该工作中,提升纳米颗粒均匀性的方法简单且容易实现大面积制备。研究人员相信,此项研究将对制备尺寸均匀的纳米颗粒膜具有指导意义,并为拓展潜在应用提供了新的可能。

相关工作以“Nanoprotrusions-enriched surface: a universal and highly tolerant platform for realizing uniform nanoparticles by sputtering”为题,发表在Advanced Materials Interfaces (DOI:10.1002/admi.201900410)上。论文第一作者为博士生徐国恒和黄科京,通讯作者为段敬来研究员。