[发明专利]一种杂合纳米结构构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种杂合纳米结构构建方法，尤其涉及一种以纳米颗粒为元件的杂合纳米结构构建方法。

背景技术

现代的技术进步在很大程度上是由微型化驱动的，而电子学的发展已经进化到终极尺度-单电子晶体管（Klein D L，Roth R,LimA K L，Alivisatos A P，McEuen P L,Nature,1997,389:699-701）。磁学和光学器件也在沿着尺度不断缩小的路径前进，产生了日趋活跃的纳米磁学（Dietl T,Awschalom D D,Kaminska M,Ohno H,Spintronics,Semiconductors and Semimetals 82，Elsevier,2008.1-536）和纳米光学（Prasad P N,Nanophotonics，Wiley,2004.1-399）等研究领域。纳米器件在操作速度、可集成度和能量转化效率上有着传统器件无可比拟的优势。而这些具有功能性的纳米器件，从根本上来说，是由一些不同的元件耦合而成。如一个独立的纳米光学器件的组成部件一般包括单个发射器、微共振腔、波导、光-电转换界面等。这些元件往往是由不同的材料构成，从这种意义上的来说，纳米器件可以认为是一种“杂合”纳米结构。在纳米尺度上金属和半导体材料的构建的杂合结构又特别有意义，因为金属具有表面等离子共振效应，能够在突破衍射极限的尺度上操控光的传播（Barnes W L,Dereux A,Ebbesen T W，Nature,2003,424:824-830），而半导体材料具有很强的光学吸收发射及非线性光学效应。大量基于金属——半导体杂合结构的纳米光学器件已经实现，包括光探测器（White J S,Veronis G，YuZ F;Barnard E S,Chandran A,Fan S H,Brongersma M L,Opt.Lett.,2009,34(5):686–688）、光调控器（Pacifici D，Lezec H J，Atwater H A，Nat.Photonics,2007,1(7):402-406）、纳米尺度激光器（Oulton R F，Sorger V J，Zentgraf T，Ma R M，Gladden C，Dai L，Bartal,G，Zhang X.,Nature,2009,461(7264):629–632）。纳米颗粒正是这类纳米器件的重要构造元件。半导体量子点被证明可以在室温下作为单光子源，在量子密码术（Gisin N.et al.,Rev.Mod.Phys.2002,74,145.）、量子信息处理（Monroe C.Nature 2002,416,238.）、量子计算（Knill E.et al.,Nature 2001,409,46）等领域有着极为广阔的应用前景，可在纳米光学器件中充当光源的角色。而金纳米颗粒由于具备表面等离子共振的特性，可以极大影响位于其附件的半导体量子点的发射和吸收，从而调控量子点的发光特性。从本质上说，纳米器件功能的实现是通过提供纳米尺度上各类元件之间的特殊的相互作用而实现的，而大量研究表明杂合纳米结构中各元件本身的尺寸及各个元件之间的相对位置对它们之间相互作用程度的影响是非常大的（Daniel R,Farbod S,Suenne K,Stephen KG，Xiaoqin L,Nano Lett.,2011,11:1049-1054）。因此，有必要定量研究杂合纳米结构内各元件本身大小及彼此间相对位置的变化对它们间相互作用的影响，从而寻找出使纳米器件功能最优化的条件。科学家们通过理论计算提出了一些可能提供强烈相互作用的杂合纳米结构的模型（Kuiru L,Mark I S,David J B,Phys.Rev.Lett.,2003,91:227402(1-4)），但受制造技术的限制，一直无法在实验上得到验证。目前已经发展的纳米颗粒杂合结构构建方法多是基于“自下而上”（bottom-up）的自组装技术（Colfen H，Mann S，Angew.Chem.Int.Ed,2003,42(21):2350–2365.Shipway A N,Katz E,Willner I,ChemPhysChem,2000,1(1):18–52.Henzie J,Barton J E,Stender C L,Odom TW，Acc.Chem.Res.,2006,39(4):249–257.Shevchenko E V，Talapin D V，Kotov N A,O’Brien S,Murray C B,Nature,2006,439(7072):55–59.）。这些基于自组装的方法虽然可以平行构造大量均一的杂合结构，但往往对构建元件和基底有特殊要求，形成杂合结构一般也无法进行再调整，缺乏灵活性。