南京大學王牧教授/彭茹雯教授團隊發現奈米線陣列的全新生長方式

微納結構的製備一般分為"自上而下"和"自下而上"兩種方式。"自上而下"的微加工技術利用可見光、紫外光或聚焦電子束在薄膜材料上光刻特定圖案，透過一系列微加工工藝，形成高精度、形態和位置均高度可控的微納結構陣列。這種微加工工藝對裝置和操作環境的要求高，製作成本和製作週期居高不下。"自下而上"的製備技術主要指自組織生長技術，它成本低，不依賴精密裝置。但是自組織生長的樣品在重複性、樣品尺寸和空間均一性等方面難以嚴格控制。長期以來，人們一直期望有一種方法可以填補自上而下的微加工技術和自下而上的自組織生長技術之間空隙，實現奈米結構陣列的低成本、高效率、高精度、大面積的可控制備。

近日,南京大學物理學院王牧教授和彭茹雯教授研究團隊，透過原創的準二維超薄液層電化學沉積體系，首次揭示了準二維空間中一種電化學協同橫向生長的機理，透過控制電訊號，實現了電化學生長形貌的精準調控，發展出在特殊襯底上製備大面積奈米線陣列的新方法。

圖1.超薄液層中電化學橫向生長薄膜和週期結構的流程圖及實驗結果。圖A為電解液結冰形成超薄液層和超薄液層中電化學生長微納結構的示意圖。圖B為超薄液層中電化學生長製備的平整薄膜的掃描電鏡圖片。圖C和D為交變電壓下電化學生長製備的奈米線陣列結構。

該奈米線製備是基於該研究組前期研發的恆電壓下金屬薄膜的橫向電化學生長技術發展而來，如圖1所示。實現該橫向生長的關鍵技術是使得電解質溶液凝固（結冰），而結冰過程中溶質分凝效應使得在冰和襯底間形成百奈米厚度的超薄電解質液層。電化學生長在該超薄液層中進行。研究發現當電極間施加恆定電壓時，沉積物為從陰極向陽極橫向鋪展的均勻薄膜；當電極間施加週期脈衝電壓時，對應脈衝的下降沿，薄膜生長前沿局域增厚，形成一條平直的脊線。脊線的截面尺寸取決於脈衝下降沿的高度和寬度(圖2)。因此，透過施加特定形狀的週期電脈衝，就可以在襯底上形成尺寸可調控的平行線陣列。此後，透過等離子體刻蝕或者化學刻蝕去除掉脊線間的薄膜，就可以得到粗細和間隔均勻的平行金屬奈米線陣列（圖1C-D）。與通常奈米線沿著軸線方向生長不同，該實驗中奈米線垂直於奈米線長軸方向推進，是一種橫向生長過程。

圖2.電化學沉積物形貌與電極間脈衝電訊號的對應關係。在電訊號保持高位時，電化學生成的沉積物形成薄膜結構；在電訊號下降時，薄膜的厚度顯著上升，形成薄膜上的脊線結構。圖A和B顯示脊線的高度可以根據下降電壓的時間和振幅而調節。由於薄膜的厚度相對較低，可以透過離子束刻蝕或者溼法刻蝕，將脊線之間的薄膜刻蝕乾淨，從而形成獨立分佈的奈米線陣列結構。

該生長過程的另一特點是金屬線陣列可以在任意形狀的襯底表面生長。在前期工作基礎上[Advanced Materials 28,7193(2016)]，該研究團隊將這一技術推廣到一種近乎極端情況。他們利用深刻矽工藝製備的具有較大深寬比的矽襯底（圖3B），實現了三維U形奈米線陣列的製備（圖3C-3D），並採用磁力顯微鏡對其中的磁疇結構進行了表徵（圖3E-3G）。這種透過普通電化學生長技術在立體結構上形成特定圖形的奈米線陣列，提供了一種製備三維有序奈米結構的簡單易行、精確可控的新途徑，展示了介於自上而下微加工技術和自下而上自組裝生長之間的一種全新的微納結構製備領域。

來源：南京大學

該工作以 "Formation of Magnetic Nanowire Arrays by Cooperative Lateral Growth"為題最近發表於[Science Advances 8, eabk0180 (2022)].

該工作第一作者為南京大學物理學院的陳飛副研究員，楊子豪、李井寧、賈斐、王帆、趙地等同學也參與了該工作。通訊作者是王牧教授和彭茹雯教授。該研究受到國家重點研發計劃和國家自然科學基金委的資助，也得到南京大學物理學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心等支援。

來源：南京大學

相關連結為:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0180

學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心等支援。

來源：南京大學

相關連結為:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0180