飞秒激光打印结合毛细力自组装制备三维金属纳米间隙结构及其应用

Metal nanogap-structure has many important applications in many fields, for example, near-field optics, bio/chemical molecular sensing. However, its traditional fabrication relies on focus ion beam (FIB) or e-beam lithography (EBL), which has shortcomings, such as, high costs, multi-steps and dependency on vacuum. By creatively combing traditional top-down techniques (FIB or EBL) with capillary-force driven self-assembly, researchers realize metal nanogap-structures with tunable metal gap and material. But, these method remains the problems of high cost and multi-steps. Femtosecond laser 2-photons printing (fs-2PP) is a novel method to manufacture 3D micro/nano structures, which is precise，economical，true 3D and do not depend on vacuum environment. Here, to cover these challenges in the fabrication of metal nanogap-structure, a new fabrication method is proposed by combing fs-2PP with capillary-force driven self-assembly. This proposal will, studying the dynamic mechanical behaviors of polymer/metal composite structues at 3-phase interface in the process of capillary-force driven self-assembly, and the model how to regulate self-assembly of microstructures; realizing metal nanogaps with an economical and efficient way by employing tunable self-assembly; manufacturing metal nanogap-structures on non-planar substrate for the practical applications; and, realizing the sensing or detection of important bio/chemical molecules.

金属纳米间隙结构在近场光学、生化分子传感等多个领域具有重要的应用。但其传统加工依赖于聚焦离子束(FIB)或电子束光刻(EBL)技术，具有加工成本高、加工步骤多、需要真空环境等缺点。研究人员创新性地将FIB和EBL等方法与毛细力自组装方法结合，实现了间隙大小和材料可控的金属纳米间隙结构。但依然存在加工成本高和加工步骤繁复的问题。飞秒激光双光子打印是一种新型的三维微纳加工方法，具有高精度、低成本、无需真空环境、真三维等优点。本课题针对金属纳米间隙结构加工中的难题，提出了一种飞秒激光双光子打印和毛细力自组装相结合的加工技术。本课题将研究，毛细力自组装过程中聚合物/金属/介电材料复合结构在三相界面的动态力学行为，建立微结构自组装调控模型；利用可控自组装，实现金属纳米间隙的低成本、高效加工；并针对实际应用中的需求，在非平面基底实现其三维加工；最后，探索并实现1~3种重要生化分子的传感检测。

金属纳米间隙结构在近场光学、生化分子传感等多个领域具有重要的应用。但其传统加工依赖于聚焦离子束(FIB)或电子束光刻(EBL)技术，具有加工成本高、加工步骤多、需要真空环境等缺点。研究人员创新性地将FIB和EBL等方法与毛细力自组装方法结合，实现了间隙大小和材料可控的金属纳米间隙结构。但依然存在加工成本高和加工步骤繁复的问题。飞秒激光双光子打印是一种新型的三维微纳加工方法，具有高精度、低成本、无需真空环境、真三维等优点。本课题针对金属纳米间隙结构加工中的难题，提出并发展了一种飞秒激光双光子打印和毛细力自组装相结合的加工技术。.围绕金属-聚合物复合结构在三相界面的复杂动态力学行为调控等核心科学问题，本课题研究了（1）毛细力自组装过程中聚合物/金属/介电材料复合结构在三相界面的动态力学行为，建立了各向同性的金属-聚合物复合微结构的毛细力自组装调控模型；（2）利用可控毛细力自组装，基于飞秒激光双光子加工的高度灵活性，实现了20nm以下金属纳米间隙的低成本、高效加工；针对实际应用中的需求，在微通道等非平面基底实现其三维加工；（3）并研究了金属纳米间隙结构的SERS信号对间隙结构的参数的演化规律，SERS信号放大因子（EF）达到了10^8量级，实现了2种典型生化分子（标记物R6G和抗癌药物DOX）的高灵敏度传感检测，在液体环境中的检测灵敏度分别达到了10^-6 M和10^-5 M；（4）此外，在本基金支持下，受资助人在利用提高超快激光并行加工提高毛细力自组装微结构加工效率、基于飞秒激光引导毛细力自组装制备手性金属-聚合物复合微结构等研究方面做出了探索。.在基金支持下，本项目的三个预期研究目标和四个预期成果均有效完成。本基金发展的微纳加工方法在微通道、光纤等非平面基底SERS结构制备上展现出了良好的应用前景。