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1、项目名称：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(申请纳米研究之 三、2.方向)项目负责人：孟 国 文 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、浙江大学、山东大学、厦门大学,重大科学研究计划项目申请内容介绍,课题设置及承担单位,本项目设置如下5个课题：01课题：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；(厦门大学、固体所)02课题：宏观尺度纳米线阵列的构筑及其对微流体 响应特性研究；(固体所、浙江大学)03课题：宏观尺度异质复杂纳米结构设计、构筑的 新原理与新方法研究；(固体所)04课题：用于有害气体痕量探测的大尺度纳米结构 的无束缚可
2、控生长研究；(清华大学)05课题：由纳米孔构筑的宏观尺度金属纳米材料的 功能化设计。(山东大学),课题01:零维纳米单元构筑宏观尺度纳米结构及其环境敏感性研究,课题负责人：朱贤方厦门大学中国澳大利亚联合功能纳米材料实验室中国科学院固体物理研究所,零维纳米结构正由单相、个体、随机生长迈向多相、多元可控复合制备和大面积、周期、有序组装,以期实现其功能化。其功能化目标之一:利用零维纳米结构极强表面吸附和其他化学物理特性构筑环境传感器,实现对人类生存环境和生物环境成本低、高度灵敏监测和检测,以确保人类安全和生命健康。,国内外研究现状和发展趋势基于单个金属纳米颗粒的气敏探测器件 贵金属纳米颗粒对被测分子
3、的吸附，会引起纳米颗粒的表面等离子体振荡峰(SPR)移动，实现气敏和生物化学环境检测。,朱贤方等,未发表工作,国内外研究现状和发展趋势基于纳米球壳结构的敏感生物环境传感器 Mei理论模拟预言,相对单相银纳米颗粒,生物环境中有机玻璃/银有机无机纳米球壳复合结构使SPR共振峰红移到生物窗口，且峰宽变窄,峰移更快和敏感。,1、非平衡低维(尤其是零维)纳米结构不稳定性问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能(如吸附性能)真正理解和设计,目前仅局限于其大表面积效应理解;3、较少打破传统材料种类局限,进行零维纳米结构复合(或者复合结果很差),尤其是有机无机球壳纳米结构复合；4、
4、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;5 因此,零维纳米结构传感器尚存在信号弱、敏感性差、信号不稳定、重复差、信号不可设计和工艺不可确定等一系列严重问题。,1、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；3、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,1.1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,Zh
5、u XF et al,Inter J Nanotechnology,3(2006)492-516(特邀综述),零维纳米结构不稳定性研究基础,1.2 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,Zhu XF,J Phys:Condensed Matter,15(2003)L253-261,Zhu XF et al,J Phys:APL,79(2001)3416-3418,预言结果,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
6、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,3.1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;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,纳米光刻制备的周期有序钨形核晶籽,step titled+rotated,titled only,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,200nm,硅,硅,零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础,3.3 纳米
7、台阶化学气相沉积纳米阵列结构,With ZnO source,Without 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,3.4 气相沉积退火形成硅基片上氧硅锌铜化合物定向多孔结构,零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础,3.5 溶液浸渍倾斜基片重力自组装技术,特点：溶胶-凝胶过程(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,大尺度单层胶体晶体模板(直径2厘米)。左图：样品的真实照片，右图为左图的局域FESEM照片。,在这种模板的基础上，发展了宏观尺度零维纳米结构阵列的构筑技术，如：(i)电沉积技术；(ii)
8、溶液浸渍技术。相关派生技术，如两步复型构筑技术、模板漂浮构筑技术等。这些技术具有一定的普适性、适合于许多材料。,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,基于单层胶体晶体与蒸发沉积技术构筑的Au纳米颗粒阵列（平方厘米尺度）(AFM照片,图中横轴刻度：1m)。FQ Sun,et al,Appl.Phys.B.(2005)81,765768,基于溶液浸渍模板技术构筑的 Fe2O3纳米环阵列（平方厘米尺度）(AFM照片,图中横轴刻度：1m)。FQ Sun,et al,Adv.Funct.Mater.,(2004)14(3),283-288,零维纳米结构大面积可控制备
9、组装技术研究基础,3.6电沉积技术和溶液浸渍技术(续),基于单层胶体晶体与电沉积技术构筑的Au有序孔阵列（平方厘米尺度）FQ Sun,et al,Adv.Mater.,(2004),16(13),1116-1121,基于单层胶体晶体与电沉积技术构筑的Ni(OH)2分级结构空心球阵列（平方厘米尺度）(左上插图：样品边缘处形貌，表明空心结构；右上图：局域放大图，表明分级结构)。GT.Duan,et al，Adv Funct.Mater.,2006,in press,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(续),基于纳米结构有序孔膜的气敏器件。左图：陶瓷管表面上S
10、nO2纳米结构有序孔膜气敏器件照片，插图为SnO2纳米结构有序孔膜（4层）表面形貌（孔径350nm）；右图：乙醇气氛中(100ppm)的电响应曲线。FQ.Sun,et al,Adv.Mater.2005,17,2872-2877,零维纳米结构大面积环境传感器原型研究基础,4.1环境中痕量物质探测的原型器件:有序孔膜的气敏器件,基于单层空心球纳米结构光子晶体的光学气敏器件。插图：Ni(OH)2单层空心球纳米阵列局域形貌；曲线a：为对应的光透射谱；曲线b：为在乙醇气氛中暴露30分钟后的光透射谱；曲线c：为随后在100oC、5分钟后的光透射谱。展示出气敏的光学截至带。GT.Duan,et al Ad
11、v Funct.Mater.,2006,in press,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:有序空心球光学气敏器件,基于金属纳米颗粒阵列的SERS痕量物质探测器件。插图：金颗粒阵列（每个大颗粒上均具有纳米尺度的表面粗糙度）；各曲线为若丹明(6G)在不同尺度上的拉曼谱(用106M浓度溶液浸泡)。曲线c:为对应于插图所示的衬底；曲线b为对应于相同表面粗糙度的金膜衬底；曲线a对应于表面光滑的金膜衬底。曲线 c:为光滑表面金颗粒阵列衬底。(这种结构的可检测浓度可低达10-12M,见右图)GT.Duan,et al Appl.Phys Lett.,2006,i
12、n press,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:金属纳米颗粒阵列的SERS痕量物质探测器件,1、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；2、有机玻璃/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。,1、宏观尺度纳米银粒子和有机玻璃/银纳米球壳结构形态可控构筑的方法探索:(1)溶液浸渍倾斜基片重力自组装法;(2)光刻组装法;(3)其他结构和其他方法待定。2、宏观纳米结构表面等离子共振消光谱对生物化学环境敏感性能测量:重点研究:(1)构筑单元(纳米银粒子和有机玻璃/银纳米球壳结构)表面态与所测分子耦合元激发消光谱;(2)构筑单元之间的相互作用耦合行为;(3)对特定生物化学环境,构筑单元尺寸大小、结构形状及其界面表面态对消光谱影响；(4)构筑单元纳米结构表面结构不稳定性,尤其是其与所测分子耦合界面不稳定性对消光谱影响。3、宏观尺度纳米结构的应用:具有实用价值的生物化学环境痕量物质探测原型器件的设计。,
