Advanced Functional Materials:原位化学图案化技术

纳微结构的表面图案化技术是纳米材料迅速发展的关键,其有利于功能材料的微型化,并已成为众多现代科技的重要组成部分。基于胶体粒子自组装的表面图案化方法,在规避传统方法高成本、低通量、对精密仪器依赖等缺陷的前提下,可用于实现大面积且具有高分辨率的纳微结构的构筑。然而,自组装技术的进一步发展,受限于组装前无法避免的复杂合成过程,以及构筑基元在组装过程中可能产生的改性现象。因此,寻求一种在纳米粒子合成的同时完成精确定位组装的大面积图案化技术,即“原位化学图案化”,将成为降低自组装方法时间和复杂性的有效策略,对发展纳微结构表面图案化具有重要意义。

近日,吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室张刚教授课题组利用表面等离子体共振效应限域的纳米化学反应(Plasmonic Nanochemistry)精准诱导等离子体纳米粒子定位生长,建立了一种可大面积构筑多尺度有序纳米粒子组装体的新型原位化学图案化技术

利用贵金属纳微结构表面等离子体共振效应实现化学反应在纳米尺度上的精确调控是该课题组的重要研究方向之一。自首次利用金纳米孔阵列薄膜的等离子体场,实现化学反应产物在共振区域内的精准定位以来(ACS Nano 2017),又通过构筑等离子体场分布区域可控的三维纳微结构,实现了对纳米化学反应的多级调控(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019;Sens. Actuators, B 2021),结合拉曼光谱,该课题组还实现了对纳微结构表面上等离子体纳米化学反应过程的原位实时监测(Nanoscale 2019)。这一系列研究工作拓展了贵金属等离子体纳微结构在限域催化领域的应用,并有望引领传统化学和纳米加工技术的变革。

图1. 等离子体场诱导纳米化学反应过程。

在前期研究工作的基础上,该课题组在本项工作中充分发挥了等离子体纳米化学的灵活可控性,以金纳米孔阵列作为等离子体纳米化学的载体,反应产物银纳米粒子完全遵循纳米孔的最大等离子体场区域进行生长,形成银纳米粒子组装体阵列。通过控制光照时长与金纳米孔模板的特征尺寸,银纳米组装体的形貌可实现精确调控。

由于等离子体纳米化学反应由光照触发,而光刻胶可作为入射光掩版。因此,研究人员利用传统光刻技术获得图案化的光刻胶薄膜,进而控制光的照射位点,使纳米组装体在可控范围内形成,最终在基底上准确且大面积地实现从宏观到亚微米尺度的多尺度图案。

图2. 结合传统光刻技术实现从宏观到亚微米尺度的多尺度图案化过程。

由于组装体由银纳米粒子紧密堆积而成,粒子之间存在强烈的等离子体耦合,因此银纳米组装体可作为优异的SERS基底实现分析物的定量检测,而多尺度图案化赋予其拉曼成像功能。利用该双功能性,多种尺度下区域特异性生成的银纳米组装体可被制备成信息加密标识。

图3. 作为优异的SERS基底实现分析物的定量检测和拉曼成像功能。

为探究其加密功能,研究人员将不同浓度的两种分析物修饰在多尺度图案的多个位点处完成信息加密。随后,通过获取各位点的拉曼光谱和拉曼mapping图像,完成对分析物成分信息、浓度信息以及图案信息的采集,从而完成多级信息的解密过程。

图4. 区域特异性生成的多尺度图案被应用至多级加密标识的制备中。

同时,原位化学图案化技术展示出了良好的通用性,可用于实现金纳米粒子组装体和聚吡咯阵列的构筑,并可被应用至柔性及弯曲基底上实现图案化过程。总体来说,这项研究工作提出了一种低成本、高通量且简单易行的原位化学图案化技术,该技术可成为新一代防伪标识、传感器和柔性电子器件制备过程中的理想选择。

图5. 利用原位化学图案化技术在柔性及弯曲基底上实现图案化过程。

吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室张刚教授为该文章的通讯作者,博士研究生管昱多为第一作者。吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室为第一完成单位,该研究工作得到国家自然科学基金的资助。

论文信息

[1] Yuduo Guan, Bin Ai, Zengyao Wang, Chong Chen, Wei Zhang, Yu Wang, and Gang Zhang*. In Situ Chemical Patterning Technique. Advanced Functional Materials 2021, 2107945. https://doi.org/10.1002/adfm.202107945

[2] Plasmonic Nanochemistry Based on Nanohole Array. ACS Nano 2017, 11, 12094.

[3] Hierarchical Control of Plasmonic Nanochemistry in Microreactor. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 35429.

[4] Mass fabrication of hierarchical nanostructures based on plasmonic nanochemistry for ultra-sensitive optical sensing. Sens. Actuators, B 2021, 329, 129220.

[5] An in situ SERS study of plasmonic nanochemistry based on bifunctional “hedgehog-like” arrays. Nanoscale 2019, 11, 9422.

论文信息:

In Situ Chemical Patterning Technique

Yuduo Guan, Bin Ai, Zengyao Wang, Chong Chen, Wei Zhang, Yu Wang, Gang Zhang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202107945

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202107945