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材料科技的重要突破–膠體粒子靜電自組裝技術

清華大學物理系果尚志教授和他的研究團隊,把墨汁、影印機和蓋圖章的原理與現代技術整合,成功地從溶液中選擇性地吸附膠體粒子,這套創新技術,是最近材料科技上的重要突破。
 
 
 
清華大學物理系果尚志教授和他的研究團隊,把墨汁、影印機和蓋圖章的原理與現代技術整合,成功地從溶液中選擇性地吸附膠體粒子,這些粒子能在固態表面上自組裝成一個單層結構,也可以大範圍、快速度,或以多重尺度方式一次製備完成。這套結合物理與化學的創新技術,是最近材料科技上的重要突破,可用來製備生物科技、光電元件、記憶體等的奈米結構材料。相關內容發表在2005年的Optics Letters和2006年的Advanced MaterialsLangmuir等期刊中。

影印機與蓋圖章的提示

在電子產品追求輕薄短小的趨勢下,電子元件的尺寸也由微米邁入奈米,但是現有的一些製程很難得到尺度均勻的奈米粒子。若以化學方法進行,就可在膠體溶液(墨水、紙漿、油漆 等)中大量調製尺度1奈米到1千奈米,而且大小均勻的膠體粒子。

膠體粒子是奈米級粒子,果教授的研究團隊這麼想著:膠體粒子會在溶液裡分散和保持穩定的原因,是因為粒子帶有相同電性的電荷,粒子會互相排斥,所以不會沉澱、聚集。而果教授決定研究的正是「如何從膠體溶液中選擇性地吸附膠體粒子,除了讓它們自組裝外還要能夠操控它們」的技術,最後果真發展出兩種創新方法。

第一種方法是利用靜電圖案,操作方式類似影印機的原理。影印機是一種由靜電操控微粒的機器,它有一個具有光導電性的感光體,感光體曝光後,會在曝光部位形成一個靜電影像,這個靜電影像會吸附粉墨,然後加熱、熔融、轉印,而告完成影印。可是膠體粒子的靜電力很弱,因此必須利用在特殊絕緣的儲電材料上寫入高電荷密度靜電圖案的方式進行。

當儲電材料透過掃描式靜電力顯微鏡注入電荷後,電荷不會傳導出去,且能保存很久。這時靜電圖案就像影印機裡靜電影像吸附粉墨一樣,能吸附膠體粒子,而且吸附上去的粒子只會有一層,並排成一個緊密的結構。這種操作方式的解析度很高,可以做到約30奈米線寬,還可靈活的變換各種靜電圖案。

另一種方法是以大範圍、快速度的方式進行。首先在材料表面上形成一層自組裝分子膜,分子膜的電荷電性與膠體粒子的相反,因而能吸附膠體粒子。完成分子膜吸附後,對於不需要粒子的地方,可以運用局部電場把分子膜移除。這種方式類似蓋圖章,操作方法是做局部電致氧化動作,把不需要的部分破壞掉,剩下的就是需要的圖案。

這種方法可以控制得很好,製備範圍可以小到200~300奈米,也可以大面積的製備,粒子尺度可以小到10奈米,還可以厘米、毫米、奈米等多重尺度一次製備完成。這是一種平行處理方式,可和第一種方法做互補性使用。

把膠體粒子當作人造原子

果教授表示,研發這些技術的目的是要把膠體粒子當作人造原子使用。因為所有的材料都由原子組成,但是原子無法被改變,膠體粒子則不同,它可以很均勻,能改變大小,大小改變了,其物理化學性質也隨著改變。因此可把它當作人造原子,然後堆疊成人造晶體、人造結構,最終目標則是把它們變成人造原子的材料。
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