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1、Vo.l31高等学校化学学报No.52010年5月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES839~854[综合评述]胶体刻蚀纳米结构化表面的构筑与应用112张刚,赵志远,汪大洋(1.吉林大学化学学院,超分子结构与材料国家重点实验室,长春130012;2.MaxPlanckInstituteofColloidsandInterfaces,Potsdam14424,Germany)摘要综述了近年来胶体刻蚀领域的研究进展,分别讨论了基于胶体微粒和胶体晶体为模板的可控沉积与可控刻蚀及在固体平面基
2、质、曲面基质和气液界面等不同基质上构筑结构化表面的方法.同时还探讨了利用胶体刻蚀方法形成的微纳结构在光、电、磁以及表面润湿和生物学等方面的应用.关键词胶体刻蚀;胶体晶体;可控沉积;可控刻蚀;图案化中图分类号O631;O641文献标识码A文章编号02510790(2010)05083916近10年来,纳微结构的表面图案化技术得到了越来越多的关注,并成为现代科技众多领域的重要[1]组成部分.纳米尺度的材料因其尺寸小、维度及粒子之间的交互作用而具有一些特殊的性质.这些性质为特征尺寸的微型化提供了动力,在纳米电化学体系、高选
3、择性催化、纳米化学、生物传感器、纳[2]米光学传感器、显示器以及纳米流体器件等方面都有重要应用.基于此,发展和衍生出了大量的制备纳米或微米以下尺度结构的工艺,如传统光刻蚀技术、电子束刻蚀及微机械加工.纳米结构化表面的制备和研究已经为化学、物理、材料科学以及生物科学的研究提供了契机.用于构造纳米尺度结构及材料的方法通常被概括为自上而下和从下而上两大类.在自上而下方法中,结构单元通过多种纳米尺度结构图案化刻蚀技术直接书写或者转移到基底上.这种方法,包括串联和并联技术,主要适用于二维及超大尺寸的(一维线距离上)和比结构单[3]元大将近4个数量级
4、的特征尺寸图案化.其中,突破制备小尺寸结构实际操作上的局限及使小尺寸结构最大化成为重中之重.其主要策略包括:利用光子、粒子、扫描探针刻蚀技术及通过物理接触的模板印刷、软刻蚀、边缘刻蚀和可控沉积等.从下而上方法通过分子或胶体粒子之间的相互作用将分离的纳米尺度结构组装成二维或三维有序结构.自组装是近40年来很多研究工作的焦点,被定义为2个或多个组分通过共价或非共价键作[4]用自发组成更大的聚集体.自组装和自组织通过从下而上的方法,基于组成单元(如分子或微小[5]粒子)的相互作用,为在大面积上生成小的特征结构单元提供了一个可选择的途径.自组装或自组
5、织过程和表面结构化特征(形状、大小、功能等)可由结构单元的性质来控制.这种方法基于小组分之间的协同作用,形成二维或三维的大尺寸结构.1基于从下而上和自上而下相结合的纳米结构材料的制备纳米材料基于从下而上的制作方法能够进行自组装和自组织,其中包含了高级纳米技术的构成单元.该类方法提供简单且低消耗的加工处理过程来制造大面积的周期性纳米结构.自组装作为一个纳米结构化的独立方法,目前还不能产生无缺陷、具有准确空间位置和特定形状,并且与传统方法实现相同功能性的结构.但自上而下刻蚀技术提供了特有的几何结构设计和准确性.最近的一些工作正在致力于将两个
6、领域结合起来.通过将从下而上自组装与自上而下结构化模板相结合,通过[6]从下而上策略引导分子、大分子、晶体材料或胶体粒子的从下而上组装.通过模板自组装,能收稿日期:20091112.基金项目:国家自然科学基金(批准号:50703015)和国家九七三计划项目(批准号:2007CB936402)资助.联系人简介:张刚,男,博士,教授,主要从事有序图案化结构与胶体界面组装研究.Emai:lgang@jlu.edu.cn840高等学校化学学报Vo.l31够将图案元素引入自组装结构并且能够增加自组装结构的
7、有序性.这些方法包括分子、溶剂、表面活[7]性剂、嵌段共聚物以及粒子的自组装作为模板来进一步刻蚀.例如自组装单层的微接触印刷,以嵌[8][9,10]段共聚物薄膜为掩板的反应离子性刻蚀,表面活性剂聚集作为掩板的介孔材料的合成,表明自[11]组装作为制备纳米结构策略具有可能性和可行性.在Chi等的工作中,利用均相的L二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)化学条纹状图案中孔道与条带不同的表面能,表现出各向异性润湿,进一步被用来[12][13]引导分子、蛋白质的自组装以及纳米粒子的选择性沉积.在过去10年中,自组装嵌段共聚物薄膜由于具有制造周期性纳米结构的
8、能力而被广泛关注.与此同时,基于许多确定结构的图案化基底以及其它模板的刻蚀技术可用来研究从10nm到微米尺度的嵌段共聚物薄膜在拓扑横向维
