納米材料由于其獨(dú)特的光、電、磁、力學(xué)等性質(zhì),成為了構(gòu)建功能材料與器件的理想基元。實(shí)現(xiàn)納米粒子的精確組裝,是探究粒子之間的耦合聚集性質(zhì)和制備宏觀功能器件的基礎(chǔ)。但是由于納米粒子的小尺寸以及在溶液中運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性與復(fù)雜性,精準(zhǔn)控制納米粒子組裝體的形貌以及在空間中的相對(duì)位置仍存在巨大挑戰(zhàn)。為了將納米粒子組裝成理想的有序結(jié)構(gòu),許多控制粒子組裝的策略與方法得到發(fā)展。本文首先概述了納米粒子自組裝的控制方法與典型形貌,著重分析了影響粒子精準(zhǔn)排布的因素與控制方法,并對(duì)納米粒子及其組裝體的光學(xué)性質(zhì)與器件應(yīng)用的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了討論,最后對(duì)目前納米粒子精準(zhǔn)組裝所面臨的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展的方向進(jìn)行了展望。 

【文章來源】：物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2020,36(09)北大核心SCICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：19 頁(yè)

【部分圖文】：

DNA分子模板誘導(dǎo)用于納米粒子的程序化自組裝

而在納米粒子的組裝中，粒子形貌的差異對(duì)組裝過程中粒子之間的取向與排布方式影響巨大。針對(duì)不同納米粒子的結(jié)構(gòu)，其所適用的組裝調(diào)控方式與方法也有所區(qū)別。球形納米顆粒是一種常見的納米粒子形態(tài)。由于粒子的各向同性，粒子能夠以四方(ccp)或立方(hcp)晶型緊密堆積，組裝結(jié)構(gòu)從維度上可以分為點(diǎn)(零維)、線(一維)、面(二維)、體(三維)等組裝形式64。而納米粒子的精準(zhǔn)自組裝則更強(qiáng)調(diào)對(duì)粒子自組裝方式的可設(shè)計(jì)性調(diào)控以及對(duì)有限的粒子數(shù)目從幾十納米到幾個(gè)納米的精準(zhǔn)控制，側(cè)重對(duì)組裝體系中的納米粒子數(shù)目、粒子間距以及粒子之間排布方式的精準(zhǔn)可控性。如精準(zhǔn)控制納米粒子聚集體的形貌，如構(gòu)成組裝體的納米粒子個(gè)數(shù)(圖1b) 65以及粒子之間的納米間隔66，并且對(duì)不同粒徑大小的粒子聚集體進(jìn)行取向性調(diào)控(圖1c) 67。在自由體系中，一維自組裝結(jié)構(gòu)本身是熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)68,69，單顆粒精度的一維納米粒子自組裝至今仍是一個(gè)難題70,71。董安鋼等利用分子團(tuán)簇對(duì)粒子組裝的方向進(jìn)行誘導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了上千個(gè)粒徑15 nm大小的納米晶在一維方向的單顆粒精準(zhǔn)排布，為探究電荷與能量的單向傳輸提供了可能(圖1d) 72。另外通過控制液滴蒸發(fā)過程中的動(dòng)力學(xué)過程，利用納米粒子與液面間的毛細(xì)作用力以及界面作用，可以獲得單層二維納米超晶格的制備(圖1e) 73,Jaeger等還通過向金納米粒子懸浮液中加入表面活性劑十二硫醇，使金納米粒子被束縛在液滴的表面，形成僅有一個(gè)粒子厚的納米薄膜74。與各向同性的納米粒子相比,各向異性的納米粒子，由于在納米尺度上結(jié)構(gòu)與形貌的不對(duì)稱性75,76，會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生一些超越球形納米粒子的性質(zhì)24,77,78，比如更高的熱點(diǎn)效應(yīng)，增強(qiáng)的熱電性能與發(fā)光效率的提升等12,75,79–82。將各向異性的納米粒子組裝為具有特定形貌的聚集結(jié)構(gòu)，可對(duì)組裝體粒子之間的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行調(diào)控16,20,83。對(duì)于各向異性的貴金屬納米粒子來說，粒子之間的精準(zhǔn)取向與排布對(duì)探究其表面等離激元耦合、表面激發(fā)態(tài)電子耦合、磁性耦合等性質(zhì)意義重大18,19,48,84–86。由于形狀的不對(duì)稱性，各向異性納米材料的自組裝結(jié)構(gòu)則更加豐富64，但是由于納米材料自身存在的空間位阻，給各向異性納米粒子自組裝形貌的精準(zhǔn)調(diào)控帶來了更大的挑戰(zhàn)87–89。

Mulvaney等還將各向異性的金納米棒粒子利用電泳的方法，精確組裝在了PMMA的凹槽結(jié)構(gòu)中。由于金納米棒在橫向與縱向各向異性的特征，所激發(fā)的等離激元模式會(huì)隨偏振光角度的改變而變化，其散射光譜強(qiáng)度會(huì)隨偏振光的角度的改變而發(fā)生明顯的遷移。因此通過模板限域?qū)鸺{米棒的排列方式進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)其在不同偏振光作用下的特異性顯示(圖11a,c) 202。除了對(duì)各向異性納米粒子等離激元激發(fā)模式的調(diào)控，各向同性的納米粒子等離激元的性質(zhì)也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)控并加以利用。利用層層組裝的方法(layer by layer)，各向同性的金納米粒子可以被精確組裝為不同厚度的二維薄膜結(jié)構(gòu)(圖11d)。金納米薄膜在層內(nèi)與層間展現(xiàn)出了完全不同的近場(chǎng)耦合模式。通過對(duì)組裝層數(shù)的精準(zhǔn)控制，納米薄膜的等離激元模式得到了調(diào)控，其顏色展現(xiàn)出了的明顯的層數(shù)依賴性(圖11e) 203。圖1 1 納米粒子精準(zhǔn)組裝的等離激元激發(fā)模式與顯示應(yīng)用

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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