納米顆粒（別是當粒徑小于20 nm時）所展現出的諸多新奇光學性質，直是令無數研究人員著迷的話題。研究人員方面不斷探索、發掘新的現象并嘗試給予解釋，方面積地嘗試將各種新奇的性質應用于改善人們的生活。隨著納米顆粒相關域研究的蓬勃發展，高品質納米顆粒的合成以及宏量制備已經成為現實。然而，隨著研究需求與實際應用需求的不斷提升，不論是實驗抑或是生產，對納米顆粒的定位與組裝的精度和可靠性的要求也越來越高。由于納米顆粒的殊物性，以及其與襯底及周圍環境的作用方式，展現出了諸多新奇的點，從而使得對于顆粒的定位、組裝伴隨著新的挑戰。尤其是當顆粒粒徑小于20納米時，迄今仍缺少簡單高效、工藝兼容性好、精度高的組裝及定位方式。有鑒于前述問題，南京大學張偉華教授與魯振達教授課題組，發展了種改性模板技術來實現高精度的納米顆粒組裝技術。相關成果以 “Deterministic Assembly of Single Sub-20 nm Functional Nanoparticles Using a Thermally Modified Template with a Scanning Nanoprobe”為題目刊載于材料科學刊物Advanced Materials上。南京大學現代工學院，亦對此工作進行了詳細報道。

以下內容轉載自南京大學現代工學院

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當尺寸下降到20納米或以下時，納米顆粒常會呈現出宏觀所不具備的性，如分立能，高吸收性，超順磁等。別的，半導體納米顆粒（量子點）由于其*的量子發光性，已被廣泛的應用在顯示、傳感、量子信息處理等域。今天，隨著合成技術的發展，各類功能納米顆粒可控的合成已經成為現實，但如何將這些納米“樂高”逐個拼接在起，組成復雜結構甚至器件仍是個未決的難題。為此，在過去二十年間科學家嘗試了各種技術路徑，通過化學修飾、靜電、顆粒操控等方法實現了微米及亞微米顆粒的組裝。但對于20納米之下的顆粒，由于顆粒-襯底相互作用弱，迄今仍缺少簡易、高效、廣適用面的組裝方法。目前相對有效的方法依賴表面化學改性與靜電作用，其模板制備復雜，僅針對單材料，難以制備納米顆粒團簇，更無法解決多種材料異質集成的問題。

有鑒于此，張偉華教授與魯振達教授課題組合作開發了種基于熱掃描探針改性模板的單顆粒組裝技術。該技術將掃描探針的針尖加熱至900 ℃以上，可對聚合物表面刻蝕的同時實現表面改性，使微結構區域的表面能顯著升高。實驗測量與理論計算顯示，改性后局域吸附能的提高可達2倍以上，從而大幅度提高了納米顆粒在改性區域的組裝效率。此外，表面能的升高也使液面在微結構內的接觸角降低，增強了顆粒所受毛細力，使其更易于被束縛在微結構當中。

圖1熱表面改性模板輔助納米組裝技術示意圖：模板制備與納米組裝過程

該方法不涉及殊化學鍵或靜電作用，為此對納米顆粒的材料沒有定要求，相比于傳統方法具有更廣的適用性。為證實這點，文章演示了包括單顆10納米量子點（65%），20納米金顆粒（95%），20納米聚苯乙烯熒光小球（97%）等材料的高效組裝。通過調整微結構的幾何尺寸，該方法能還夠制備金納米顆粒各種規則形狀的密堆團簇。

圖2小尺寸納米顆粒的組裝結果 a)10納米量子點 b)20納米聚苯乙烯熒光小球 c)20納米金顆粒 d)20納米金顆粒的各種規則密堆團簇

此外，由于該方法基于掃描探針技術可獲取表面形貌信息，使得多步組裝結構的對準成為可能。用此勢，工作演示了量子點-納米銀線耦合結構的制備，展示了該技術在多材料跨尺度異質面的巨大潛力。

圖3量子點-銀納米線異質結構的制備 a)制備過程示意圖 b1)單根銀納米線光鏡照片 b2)對應的銀納米線形貌掃描圖 b3)在銀納米線頂部制備微結構 b4)組裝量子點后的熒光圖像

由于其高精度、高確定性與廣適用面，并可與已有工藝結合，該方法有望為集成量子光學信息、光學超分辨、納米生化傳感器等方向帶來更多的可能性，推動相關域的發展。

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在此論文當中所談及的熱掃描探針光刻技術（thermal scanning probe lithography，t-SPL），衍生于IBM Research的研發成果，是近年來發展起來的種可快速、可靠、高精度地實現納米圖案制備的直寫技術，其技術核心是用加熱針尖的熱能來誘導局部材料的改性，從而實現圖案化。由于*的技術原理，使其具有刻寫圖案精度高（水平方向征線寬15 nm/縱向臺階精度2 nm）、原位成像/閉環光刻、套刻與拼接精度高（25 nm）等諸多勢。

熱掃描探針刻寫技術的更多信息：

1.  可參考刊載于Microsystems & Nanoengineering（volume 6, Article number: 16 (2020)）的綜述“Thermal scanning probe lithography—a review”。