基于嵌段共聚物模板的大面积有序可控纳米粒子阵列的构建

The self-assemble sub-50nm nanoparticles into highly ordered nanoarrays remain a challenging issue. By taking advantage of simple physical or chemical interactions, a facile and general method to fabricate the large area sub-50nm nanoparticle arrays on the plasma-etched block copolymer templates was demonstrated, which is new and effective for the assembly of water-dispersed nanoparticles. Here our studies include: (1) Controllable self-assembly of different types of anisotropic nanoparticles into highly ordered nanostructures; (2) Fabrication of multicomponent, multilevel hybrid nanostructures after successful formation of the first-level nanoparticle arrays; (3) Controllable self-assembly of different biomolecules into highly ordered structures; (4) Applications such as optical, catalysis and biological functions will be examined based on different nanoparticle arrays. Through understanding the fundamental process in nanostructure fabrication, this assembly strategy is expected to be a versatile approach, which may open a new route for the controlled assembly of functional nanostructured materials into large-scale ordered arrays with desirable patterns.

纳米粒子在小于50 nm的尺度下自组装形成有序规则阵列结构是一个具有挑战性的研究课题。本项目以等离子体刻蚀的嵌段共聚物模板作为载体，利用简单的物理或化学原理，发展一种简单，普适的大面积构筑小于50nm尺度，模板化组装水溶性纳米粒子有序阵列结构的新方法。研究内容主要包括：（1）不同种类各向异性金属纳米粒子在模板上的可控组装；（2）在成功构筑单一组分纳米粒子阵列的基础上，构建多组分、多层次的功能性纳米粒子阵列结构；（3）不同种类生物纳米粒子在模板上的有序组装；（4）探索不同纳米粒子阵列体系的光学、催化、生物方面的特性。通过解决纳米阵列构筑方面的基础问题，希望为功能材料按照理想方式组装成高度有序结构提供一条有效的途径。

本项目将等离子体刻蚀的纳米图案化模板和传统纳米粒子组装方式巧妙组合，成功实现了多组分、多层次、多尺度、大面积纳米粒子阵列结构的有序可控制备，并针对不同的纳米粒子阵列结构研究了其聚集特性。取得了以下研究成果：（1）利用等离子体刻蚀的嵌段共聚物模板上的纳米孔洞和纳米沟槽，模板化组装了单组份金属钯纳米立方体，并且钯的纳米阵列在受限条件下表现出了良好的催化性能。（2）将传统的in-situ和ex-situ制备纳米粒子的方式，与层层诱导组装的方法巧妙的组合和精确地控制，在PS-b-P2VP嵌段共聚物模板上设计并构筑了多组分、多层次金属纳米复合结构。并且这些不同的阵列结构表现出良好的光学性能和SERS活性。（3）通过将胶体粒子和嵌段共聚物胶束自组装两种传统组装方法有效结合，以二维有序的周期性分布的PS胶体粒子为掩模板，对于单层的胶束结构进行图案化，获得了一系列大面积尺寸可控的，在微米尺度/纳米尺度同时有序的图案化结构及其互补结构，并成功的图案化排列蛋白质分子。与其它技术手段相比，以上基于嵌段共聚物模板的纳米粒子组装的策略具有成本低、效率高、制备方法简单可靠、易于实现大面积等优越性，因而在微电子和生物研究等领域有着潜在的应用前景。