研究人员开发纳米技术可在几秒钟内创建晶圆级纳米粒子单层

纳米材料为我们提供了惊人的化学和物理特性，有助于将单分子传感和微创光热疗法等应用(曾经只是理论)变为现实。

纳米粒子的独特能力使其成为利润丰厚的材料，可用于研究和工业目的的广泛应用。然而，由于缺乏对器件制造至关重要的单层纳米颗粒快速均匀转移的技术，实现后者变得困难。

摆脱这一困境的一种可能方法是采用静电组装过程，其中纳米颗粒将自身附着到带相反电荷的表面，一旦形成单层，纳米颗粒就会通过排斥其他带类似电荷的纳米颗粒远离表面来自我限制进一步组装。不幸的是，这个过程可能非常耗时。

虽然人工方法正在努力克服这些缺点，但自然界中发现的水下粘附过程已发展成为克服这一问题的独特策略。

在这方面，由光州科学技术学院博士领导的研究小组。学生DoeunKim(第一作者)和助理教授Hyeon-HoJeong(通讯作者)开发了一种“受贻贝启发”的一次性纳米粒子组装技术，可在10秒内将材料从微小体积的水中传输到2英寸晶圆，同时实现2D单层组装，表面覆盖率高达40%左右。

“我们克服现有挑战的关键方法来自于对贻贝如何逆水到达目标表面的观察。我们看到贻贝同时辐射氨基酸以解离表面上的水分子，从而使化学粘合剂能够快速附着在目标表面上”，Kim女士在谈到这种独特的受自然启发的方法背后的动机时解释道。

“我们意识到类似的情况，我们引入过量的质子以去除目标表面上的羟基，从而增加纳米粒子和表面之间的静电吸引力并加速组装过程。”

研究人员在质子动力学的驱动下设计了目标表面和纳米颗粒的静电表面电势。这导致纳米粒子在几秒钟内均匀地捕获到目标表面上。

为了测试将质子工程引入静电组装过程的有效性，该团队将单层组装时间与传统使用的技术进行了比较。结果表明，新技术的涂层速度比之前报道的方法快100至1000倍。纳米粒子加速扩散和组装背后的原因与质子去除目标区域上不需要的羟基的能力有关。

研究人员进一步发现，基础工艺的电荷敏感特性能够实现单层薄膜的确定性“修复”以及晶圆级的“拾取和放置”纳米图案化。此外，所提出的技术还允许通过等离子体结构制造晶圆级全彩反射超表面，从而为全彩绘画和光学加密设备的生产开辟新途径。

这种受自然启发的新概念验证是朝着广泛接受功能性纳米材料单层材料迈出的重要一步。

“我们预计这项研究将加速功能纳米材料对我们生活的影响，并促进单层薄膜的大规模生产，从而促进广泛的应用，从光子和电子设备到用于能源和环境应用的新型功能材料，”郑教授总结道。