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微纳制造，将尺度为毫米、微米和纳米量级的零件，以及由这些零件构成的部件或系统的设计、加工、组装、集成与应用的技术。随着微纳制造单元从现有的几十纳米降低到十纳米一下，传统“宏”机械制造技术已不能满足这些“微”机械和“微”系统的高精度制造和装配加工要求，微纳制造技术是微传感器、微执行器、微结构和功能微纳系统制造的基本手段和重要基础。激光宏观制造，基于激光与物质相互作用引发热效应的制造过程，产生了激光切割、激光焊接、激光重熔/合金化等激光表面工程等一系列加工制造技术。
近20年来，随着单分散胶体纳米晶（金属、半导体）制备技术的成熟，单分散的纳米晶作为基本的结构单元，进行大面积的超晶格自组装及器件应用成为研究热点。真正实现代表不同性能的纳米晶材料的由下而上（bottom-up）一元、二元等大面积的自组装超结构，是充分发挥纳米晶材料的表面效应、尺寸效应、量子限域效应等纳米效应，并实现宏观纳米器件的关键步骤。目前的关键问题还在于自组装之后，因为纳米晶表面的有机稳定层，阻挡了颗粒之间的有效载流子传输，阻碍了器件规模组装薄膜的性能根本提升。
金属@半导体核壳纳米晶因为最大的异质接触面积及可调的等离子体-激子耦合效应等，成为潜在器件应用的结构单元。北京理工大学张加涛研究团队在利用可控阳离子交换策略实现异质界面精准调控的金属@单晶半导体核壳纳米晶的非外延制备基础上，利用可控溶剂挥发辅助的提拉成膜法，在刚性/柔性衬底上实现这些核壳纳米晶的二维、三维大面积组装超晶格。
图1. 精准合成Au@CdS核壳纳米晶，实现其在硅片、PET导电薄膜、石墨烯等刚性/柔性衬底上的超晶格组装。
就像3D打印固体及超材料的有序超结构一样，跨尺度的单分散纳米晶结构基元超晶格组装成宏观尺度的超结构, 成为开发纳米新科学与技术的新宠。如何将纳米晶自组装后，进行表面改性，去除表面的有机阻挡层，实现结构基元之间有效的载流子传输，成为关键难题。
有鉴于此，北京理工大学张加涛研究团队与姜澜研究团队联合科技攻关，发展了一种激光辐照固液界面上的纳米晶组装超晶格薄膜的方法。
图2. 研究人员提出的固液界面上激光辐照纳米晶组装超晶格的激光微纳加工新方法。
基于纳米尺寸后物质的熔点降低效应，以及Au金属纳米晶的表面等离子体共振效应（共振吸收峰在530nm左右），利用很低能量的532 nm 连续激光(11.14 W/cm2)与Au以及Au@ZnS等纳米晶组装超晶格的相互作用引发的热效应，实现了颗粒之间的激光焊接/重熔，通过低能量的激光加工，实现了Plasmon金属基纳米晶的超结构制造。
纳米晶之间相互熔合生长在一起，解决了超晶格组装薄膜中颗粒之间能量传递的难题。利用此方法，还可以实现不同形貌的Plasmon金属的超结构，如类蜂窝状，骨头形状，L-形状等支状结构。
图3. 纳米晶组装的超晶格电镜图
新结构带来新性能，研究人员发现激光辐照后的Au纳米晶组装超结构薄膜从原来的532nm左右的吸收效应，演变成从可见到近红外区 (650-2620 nm)的高效全吸收效应，为进一步高效的太阳光等能量收集奠定新的材料基础。而且激光辐照之后，超结构薄膜的导电性增强，电导率增强了104倍，成为很好的表面增强拉曼散射）SERS衬底材料，也为高效的太阳能光伏/光电器件应用奠定材料基础。 图4. 激光辐照加工方法实现光学、电学性能的根本改善和提升。
后续工作： 1. 激光辐照对纳米晶组装超晶格的激光熔合/烧结，实现纳米晶材料的宏观激光微纳加工； 2. 利用Plasmon光热效应，结合激光辐照法，实现半导体纳米晶在有序自组装基础上，类似3D打印固体、超材料（metamaterials）的有序宏观结构的微纳制造，开发其在太阳能吸收、光电器件方面的新性能和应用。
参考文献： 1．Liu Huang, Jiatao Zhang* et al. Controlled synthesis and flexibleself-assembly of monodisperse Au@semiconductor core/shell hetero-nanocrystalsinto diverse superstructures. Chemistry of Materials 2017, 29 (5), 2355-2363. 2. Liu Huang, Jiatao Zhang* et al. Colloid-Interface-AssistedLaser Irradiation of Nanocrystals Superlattices to be Scalable PlasmonicSuperstructures with Novel Activities，Small 2018, 14, 1703501：1-10.
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发表于 2018-4-28 09:02:37
