1、项目名称：项目名称：面向环境探测的宏观尺度纳米结构面向环境探测的宏观尺度纳米结构的构筑与应用基础研究的构筑与应用基础研究 (申请纳米研究之 三、2.方向) 项目负责人：项目负责人： 孟孟 国国 文文 申报单位：中国科学院合肥物质科学研究院申报单位：中国科学院合肥物质科学研究院 参加单位：中科院固体所、清华大学、参加单位：中科院固体所、清华大学、 浙江大学、山东大学、厦门大学浙江大学、山东大学、厦门大学 课题课题01: 零维纳米单元构筑宏观尺度纳米零维纳米单元构筑宏观尺度纳米结构及其环境敏感性研究结构及其环境敏感性研究课题负责人：朱贤方课题负责人：朱贤方厦门大学中国澳大利亚联合功能纳米厦门大学中
2、国澳大利亚联合功能纳米材料实验室材料实验室中国科学院固体物理研究所中国科学院固体物理研究所国内外研究现状和发展趋势国内外研究现状和发展趋势 零维纳米结构正由单相零维纳米结构正由单相、个体个体、随机生长迈向多相随机生长迈向多相、多元可控复合制备和大面积多元可控复合制备和大面积、周期周期、有序组装有序组装, , 以期以期实现其功能化。实现其功能化。 其功能化目标之一其功能化目标之一: :利用利用零维纳米结构极强表面吸零维纳米结构极强表面吸附和其他化学物理特性附和其他化学物理特性构筑环境传感器构筑环境传感器, , 实现对人类实现对人类生存环境和生物环境成本低生存环境和生物环境成本低、高度灵敏监测和检
3、测高度灵敏监测和检测, , 以确保人类安全和生命健康。以确保人类安全和生命健康。朱贤方等朱贤方等, 未发表工作未发表工作峰移更敏感峰移更敏感PMMA/Ag纳米球壳结构纳米球壳结构被检测生物分子被检测生物分子300-1100nm生物窗口生物窗口峰宽变窄峰宽变窄峰位红移峰位红移存在的问题存在的问题1、非平衡低维非平衡低维(尤其是零维尤其是零维)纳米结构不稳定性问纳米结构不稳定性问题尚未正确理解和控制题尚未正确理解和控制; 2、缺乏对零维纳米结构表面结构和物理化学性、缺乏对零维纳米结构表面结构和物理化学性能能(如吸附性能如吸附性能)真正理解和设计真正理解和设计,目前仅局限于其目前仅局限于其大表面积效
4、应理解大表面积效应理解;3 、 较少打破传统材料种类局限较少打破传统材料种类局限, 进行零维纳米结进行零维纳米结构复合构复合(或者复合结果很差或者复合结果很差), 尤其是有机无机球壳尤其是有机无机球壳纳米结构复合；纳米结构复合；4、缺乏成本低可操作性强的宏观大面积周期、缺乏成本低可操作性强的宏观大面积周期、有序可控组装技术有序可控组装技术;5 因此因此,零维纳米结构传感器尚存在信号弱零维纳米结构传感器尚存在信号弱、敏感敏感性差性差、信号不稳定信号不稳定、重复差重复差、信号不可设计和工艺信号不可设计和工艺不可确定等一系列严重问题不可确定等一系列严重问题。厦大固体所相关研究基础厦大固体所相关研究基
5、础1、零维纳米结构不稳定性研究；、零维纳米结构不稳定性研究；2、零维有机无机纳米球壳结构复合技术研究；、零维有机无机纳米球壳结构复合技术研究；3、零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究、零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究4 、零维纳米结构大面积环境传感器原型研究零维纳米结构大面积环境传感器原型研究1.11.1纳米粒子(np)和纳米孔(nc)反对称关系np: 表面负曲率、表面张应力、低”德拜温度”、低熔点、易脱附nc: 表面正曲率、表面压应力、高”德拜温度”、高熔点、易吸附 Zhu XF, J Phys: Condensed Matter, 15(2003) L253-261, Zhu XF
6、 et al, Inter J Nanotechnology, 3(2006) 492-516(特邀综述特邀综述), 零维纳米结构不稳定性研究基础零维纳米结构不稳定性研究基础1.21.2 纳米粒子和纳米孔不稳定性因受与纳米曲曲率有关的表面能驱动 np 膨胀融化 nc 收缩凝聚比经典热力学描述的要快零维纳米结构不稳定性研究基础零维纳米结构不稳定性研究基础Zhu XF, J Phys: Condensed Matter, 15(2003) L253-261, Zhu XF et al, J Phys: APL, 79(2001) 3416-3418预预言言结结果果零维有机无机纳米球壳结构复合技术零
7、维有机无机纳米球壳结构复合技术研究基础研究基础特点:制备出单分散(直径分布均匀、表面光滑)的PMMA纳米球芯;利用硅和硫官能团表面改性实现了键性过渡;在纳米尺度, 实现了PMMA球芯表面银膜均匀致密包覆;克服纳米粒子极大表面能,实现了纳米粒子间较好机械分离;为下一步零维纳米结构大面积优越性能传感器组装打下了良好基础100 nm包覆银前包覆银前PMMA纳纳米粒子米粒子包覆银后包覆银后PMMA/银纳米球银纳米球壳结构壳结构零维纳米结构大面积可控制备组装技零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础术研究基础3.1高度可控纳米光刻阵列结构高度可控纳米光刻阵列结构特点：加相应软件可在任何扫描电镜上实现;
8、花样图案完全由计算机设计;最小结构可达10nm;基片和纳米结构材料种类可灵活改变;为周期有序纳米组装或生长提供了最关键技术 200nm金金量量子子点点PMMA纳米结构纳米结构纳米光刻制备的周期有序纳米光刻制备的周期有序钨钨形核晶籽形核晶籽step titled + rotatedtitled only零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础3.2 斜角气相沉积纳米阵列结构斜角气相沉积纳米阵列结构200nm硅硅硅硅rotationrotationtitledtitled阴影效应阴影效应零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础零维纳米结构大面积可控制备
9、组装技术研究基础3.3 纳米台阶化学气相沉积纳米阵列结构纳米台阶化学气相沉积纳米阵列结构氧化锌纳米阵列结构氧化锌纳米阵列结构纳米熟化纳米熟化With ZnO sourceWithout ZnO source (control sample)零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础3.4 气相沉积退火形成硅基片上气相沉积退火形成硅基片上氧氧硅锌铜化合物定向硅锌铜化合物定向多孔结构多孔结构零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础3.5 溶液浸渍倾斜基片重力自组装技术溶液浸渍倾斜基片重力自组装技术特点：溶胶-凝胶
10、过程(仅在室温);设备简单、成本低、工艺参数简单;成密排结构PMMA纳米球纳米球 零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础3.6电沉积技术和溶液浸渍技术电沉积技术和溶液浸渍技术 零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础3.6电沉积技术和溶液浸渍技术电沉积技术和溶液浸渍技术(续续)零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础3.6电沉积技术和溶液浸渍技术电沉积技术和溶液浸渍技术(续续)零维纳米结构大面积环境传感器原型研究基础零维纳米结构大面积环境传感器原型研究基础4.1
11、环境中痕量物质探测的原型器件环境中痕量物质探测的原型器件: 有序孔膜的气敏器件有序孔膜的气敏器件零维纳米结构大面积环境传感器原型研究基础零维纳米结构大面积环境传感器原型研究基础4.2环境中痕量物质探测的原型器件环境中痕量物质探测的原型器件: 有序有序空心球空心球光学气敏器件光学气敏器件零维纳米结构大面积环境传感器原型研究基础零维纳米结构大面积环境传感器原型研究基础4.3环境中痕量物质探测的原型器件环境中痕量物质探测的原型器件:金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒阵列的SERS痕量物质探测器件痕量物质探测器件拟研究内容拟研究内容( (仅厦大部分仅厦大部分) )1 、银金属纳米粒子单元宏观尺度结构构筑组装银金属纳米粒子单元宏观尺度结构构筑组装及对其生物化学环境敏感性；及对其生物化学环境敏感性；2、有机玻璃、有机玻璃/银纳米球壳单元宏观尺度结构构筑银纳米球壳单元宏观尺度结构构筑组装及其对生物化学环境敏感性。组装及其对生物化学环境敏感性。耦合耦合耦合行为耦合行为对对消光谱影响；消光谱影响；(4)结构表面结构不稳定性结构表面结构不稳定性,尤其是尤其是其其不稳定性对消光谱影响不稳定性对消光谱影响拟研究内容拟研究内容( (仅厦大部分仅厦大部分) )光刻组装法简介光刻组装法简介特定表面特性的纳米构筑单元特定表面特性的纳米构筑单元 纳米光刻改性局域基片表面纳米光刻改性局域基片表面粘合组装粘合组装
