麻省理工学院的研究人员已经开发出一种技术，可以精确控制纳米粒子在材料上的排列和位置，例如用于计算机芯片的硅，并且不会损坏或污染材料表面。

在不损坏材料的情况下在表面上排列纳米级粒子的新技术

该技术将化学和定向组装工艺与传统制造技术相结合，能够有效地形成与纳米颗粒集成的高分辨率纳米特征，用于传感器、激光器和LED等设备，从而提高其性能。

晶体管和其他纳米级器件通常是自上而下制造的——材料被蚀刻掉以达到所需的纳米结构排列。但是，创建可以实现最高性能和新功能的最小纳米结构需要昂贵的设备，并且仍然难以以所需的分辨率大规模进行。

组装纳米级设备的一种更精确的方法是自下而上。在一个方案中，工程师使用化学方法在溶液中“生长”纳米粒子，将该溶液滴到模板上，排列纳米粒子，然后将它们转移到表面。然而，这项技术也面临着严峻的挑战。

首先，数以千计的纳米粒子必须有效地排列在模板上。将它们转移到表面通常需要化学胶、大压力或高温，这可能会损坏表面和最终的设备。

麻省理工学院的研究人员开发了一种新方法来克服这些限制。他们利用存在于纳米级的强大力量将粒子有效地排列成所需的图案，然后在没有任何化学物质或高压且温度较低的情况下将它们转移到表面。由于表面材料保持原始状态，这些纳米级结构可以整合到电子和光学设备的组件中，即使是微小的缺陷也会影响性能。

“这种方法允许您通过力工程，将纳米粒子(尽管它们的尺寸非常小)以具有单粒子分辨率和不同表面的确定性排列放置，以创建具有非常独特特性的纳米级构建块库，无论是这是它们的光物质相互作用、电子特性、机械性能等，”麻省理工学院电子工程和计算机科学(EECS)的EELandsman职业发展助理教授、麻省理工学院电子研究实验室成员FarnazNiroui说，以及描述这项工作的新论文的高级作者。

“通过将这些构建块与其他纳米结构和材料集成，我们可以实现具有独特功能的设备，如果我们单独使用传统的自上而下的制造策略，这些设备将不容易制造出来。”

该研究发表在《科学进展》上。Niroui的合著者是化学工程系研究生Weikun"Spencer"Zhu，以及EECS研究生PeterF.Satterthwaite、PatriciaJastrzebska-Perfect和RobertoBrenes。

使用力量

为了开始他们的制造方法，称为纳米粒子接触印刷，研究人员使用化学方法在溶液中创建具有确定尺寸和形状的纳米粒子。在肉眼看来，这就像一瓶彩色液体，但用电子显微镜放大会发现数百万个立方体，每个立方体只有50纳米大小。(人的头发大约有80,000纳米宽。)

然后，研究人员制作了一个柔性表面形式的模板，上面覆盖着纳米粒子大小的引导或陷阱，这些引导或陷阱以他们希望纳米粒子采取的形状排列。在模板中加入一滴纳米粒子溶液后，他们使用两个纳米级的力将粒子移动到正确的位置。然后将纳米颗粒转移到任意表面上。

在纳米尺度上，不同的力成为主导(就像重力在宏观尺度上是主导力一样)。当纳米颗粒处于液体中时，毛细管力占主导地位，而范德华力在纳米颗粒与其接触的固体表面之间的界面处占主导地位。当研究人员添加一滴液体并将其拖过模板时，毛细管力将纳米粒子移动到所需的陷阱中，将它们精确地放置在正确的位置。一旦液体干燥，范德华力就会将这些纳米颗粒固定在适当的位置。

“这些力无处不在，在制造纳米级物体时往往是有害的，因为它们会导致结构坍塌。但我们能够想出方法来非常精确地控制这些力，以使用它们来控制如何事物在纳米尺度上被操纵，”朱说。

他们将模板导向设计成正确的尺寸和形状，并以精确正确的方式排列，以便力量共同作用以排列颗粒。然后将纳米颗粒印刷到表面上，无需任何溶剂、表面处理或高温。这可以保持表面的原始状态和属性完好无损，同时允许超过95%的产量。为了促进这种转移，需要设计表面力，使范德华力足够强，以始终促进颗粒从模板释放并在接触时附着到接收表面。

独特的形状、多样的材料、可扩展的加工

该团队使用这种技术将纳米粒子排列成任意形状，例如字母，然后以非常高的位置精度将它们转移到硅上。该方法也适用于具有其他形状(如球体)和多种材料类型的纳米粒子。它可以有效地将纳米颗粒转移到不同的表面上，例如金甚至柔性基板，用于下一代电气和光学结构和设备。

他们的方法也是可扩展的，因此可以扩展到用于制造真实世界的设备。

Niroui和她的同事们现在正在努力利用这种方法来创建更复杂的结构，并将其与其他纳米级材料集成，以开发新型电子和光学设备。