基于原子力显微镜操纵构建纳米颗粒杂合结构

现代技术进步在很大程度上是由微型化驱动的，而电子学的发展已经进化到终极尺度 -单 电子晶体管。磁学和光学器件也在沿着尺度不断缩小的路径前进，产生了日趋活跃的纳米磁学 和纳米光学 等研究领域。纳米器件在操作速度、可集成度和能量转化效率上有着传统器件无可比拟的优势。而这些具有功能性的纳米器件，从根本上说，是由-些不同的元件耦合而成。如-个独立的纳米光学器件的组成部件-般包括单个发射器、微共振腔、波导、光 -电转换界面等。这些元件往往是由不同的材料构成 ，从这种意义上看 ，纳米器件可以认为是- 种杂合”纳米结构。在纳米尺度上金属和半导体材料构建的杂合结构又特别有意义，因为金属具有表面等离子共振效应，能在突破衍射极限的尺度上操控光的传播 ，而半导体材料具有很强的光学吸收发射及非线性光学效应。大量基于金属-半导体杂合结构的纳米光学器件已经实现，包括光探测器 、光调控器 和纳米尺度激光器 。纳米颗粒正是这类纳米器件的重要构造元件。半导体量子点是纳米光学器件中重要的光源。单个量子点耦合到金纳米结构中，可以实现调控量子点的定向发射，这种器件能实现纳米发射器之间的定向光通讯 ○或银等贵金属纳米颗粒由于具备表面等离子共振特性，可以增强拉曼或荧光信号，与生物大分子结合后，可作为生物传感器 。当金纳米颗粒与单个量子点耦 合后 ，能调控量 子点 的发光 强度 和荧光 寿命 ，由它们组合而成的杂合结构有可能在纳米光学器件中发挥作用 。从本质上说 ，纳米器件功能的实现是通过提供纳米尺度上各类元件之间的特殊相互作用而实现，而大量研究表明各个元件之间的相对位置对相互作用的程度非常敏感 。因此，有必要定量研究杂合纳米结构内各元件间相对位置的变化对它们间相互作用的影响，从而寻找出使纳米器件功能最优化的条件∑学家们通过理论计算提出了-些可能提供强烈相互作用的杂合纳米结构的模型 ，但受制造技术的限制，-直无法在实验上得到验证。目前已经发展的纳米颗粒杂合结构构建方法多是基于 自下而上 ”(botom.up)的 自组装技术 。这些基于 自组装 的方法虽然可 以平行构造大量均-的杂合结构，但往往对构建元件和基底有特殊要求，形成杂合结构-般也无法进行再调整，缺乏灵活性。作者发展 了-种针对纳米颗粒、基于原子力显微镜操纵 的纳米杂合结构构建方法，能实现在各种平面上构建造型灵活可变的纳米杂合结构，为研究型模式体系杂合纳米结构的构建提供了- 种有力的手段。作者利用该技术构造 了几种典型的模式体系，为定量研究这类体系内各元件间相对位置与相互作用的关系奠定了基矗虽然 AFM操收稿日期：2012-08-16；修订日期：2012-11-05基金项目：国家自然科学基金资助项目(Nos.10975175和90923002)。

作者简介：汪颖(1978-)，女(汉族)，上海，职务博士研究生.E-mail：popwy2000###sinap.ac.cn通讯作者：张益(1971-)，男(汉族)，上海，研究员，博士研究生导师.E-mail：zhangyi###sinap.ac.cn第 2期 汪 颖等：基于原子力显微镜操纵构建纳米颗粒杂合结构 103范围设定为 0，打开lift mode”，将 lift scan height”的值设置为比拾取时所用的值再低 2～5 nm，继续执行扫描，直到基底上 出现反差～扫描范围增加到 1 mm左右 ，检查 目标量子点颗粒是否 出现在设定位点。如果位置有所偏 差，可 以用针尖 推”的方式进行修正，将 目标颗粒继续推”到设定位点。用同样的方法，再选择合适粒径的纳米金颗粒，依次将纳米金颗粒逐个放置在设计好的量子点颗粒周边位点上，实现预先设计好的纳米杂合结构。

2 结果与分析SP-DPN技术具有广泛的普适性 ，操纵对象的材料可以是金属、金属氧化物、半导体或有机聚合物，已经实现的操纵对象的尺寸可从 1～80 nm，可满足按需定制复杂多样性纳米杂合结构的要求。操纵平台可以是云母、玻璃、硅片或金属表面。其中玻璃可作为光学信号探测的良好载体，半导体和金属表面又特别适合电学和磁学信号探测，因此用该方法构建的杂合纳米结构在后续的检测方面具有很大优势 。同时 ，将 SP-DPN技术 与原子力显微镜 的推”等传统操纵 手段相结合，还可实现杂合纳米结构内各元件间距、角度等参数动态可变，可实时得到纳米尺度上物质问相互作用程度对距离的依赖关系的动态信息，这将为优化纳米器件结构以实现其功能最大化提供帮助。

通过 SP-DPN技术 ，作者构造了两种 由 6 nm半导体量子点和 18 nm金颗粒组成的三明治”型和三角形杂合纳米结构(图 1)。需要指出的是，由于量子点颗粒的高度与纳米金颗粒的粒径差距太大，两者之间 的相 对位 置又很 近，导 致量 子点 颗粒 在AFM图像上未形成明显反差(图 1g)。但通过原子力显微镜的剖面图分析(图 1h)，3个颗粒之 间的量子点仍然存在于基底上。

由于纳米金颗粒具有表 面增强等离子效应 ，能改变附近量子点的吸收和发射，而改变的程度与金颗粒的尺 寸及 金 颗粒 与 量 子点 间 的距 离 密切 相关 。 目前已有实验证实单个纳米金颗粒能显著改变单个量子点的荧光寿命和发光强度 ，而多个纳米金颗粒构造的纳米结构对位于其中的量子点发光的影响还未见涉及。有理论计算证明，在对称的以纳米金颗粒为元件的纳米结构中，其对称中心的局域场强会得到极大增强 ，当颗粒粒径 比为 3：1时增强效应最 明显 。本文构造 的模型有可能为这- 理论提供实验数据 ，相关研究也正在进行中。

3 结论作者发展了-种基于原子力显微镜的纳米操纵技术，可以对不同材料，不同粒径的纳米颗柳行精确三维操纵，位置精确度可 <10 nm，且具有广泛普适性，对基底平台没有特殊要求。用这种方法构建了几种由半导体量子点，金属纳米颗粒组成的杂合纳米结构，其中颗粒间距可调。该方法特别适用于构建各种模式体系，定量研究不同材料杂合纳米结构内各元件间相对位置的变化对它们相互作用的影响。这些数据将对优化纳米器件的功能具有重要的启示作用。

致谢 ：张益感谢德国马普学会对-个伙伴研究小组的资助。