纳米光刻：激光泡沫笔光刻技术仿造胶体纳米颗粒

胶体颗粒，比如量子点和金属纳米颗粒，它们正成为微电子、可再生能源以及医学领域传感/施药等应用的重要设备。不幸的是，使用光子、聚焦离子束或电子束的标准光刻方法不能在固体基板上图案化这些颗粒。光学镊子提供强大的性能以全面操作这些颗粒，然而，使颗粒固定到基板上仍充满挑战性。此外，光学镊子的高功率运行状态（高达100 mW/μm2）限制了其应用范围。

　　得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员研发出一种独特的方法，采用功率非常低的激光器在电浆基板和含有胶体纳米颗粒的液体溶液之间的界面位置生成微泡。这种“泡沫笔”利用对流、表面张力和气压将颗粒拖向气泡。通过这种泡沫笔光刻（BPL）技术，可以将具有不同分辨率和结构的任意图案以光学方式写在基板上。

　　等离子体增强光热效应

　　尺寸约为数十纳米、在载玻片上的间距为个位数纳米的纳米颗粒被用作等离子体基板。低功率激光器，其每平方微米级的功率为个位数毫瓦，且波长可以调谐以匹配纳米颗粒的等离子体共振波长，这种激光器就足以进行图案化。

　　为形成气泡，要从等离子体基板下侧聚焦直径2μm的激光束，使其聚焦到胶体粒子溶液上，该溶液被夹在基板和与基板间隔120 μm的盖玻片间。由于等离子体增强光热效应导致水蒸发，蒸发的水汽在等离子体基板顶部形成直径低至1μm的气泡。

　　然后，胶体颗粒被拖向微泡并被截留在气泡/溶液界面上，最终固定在基板上。当激光器电源关闭时，由于热效应带来的增强基板附着力因素，颗粒仍停留在它们被图案化的位置。即使在基板被漂洗并烘干之后，这些颗粒图案仍保留在基板上，这一特性使该方法适用于制造功能性设备。将激光束作为笔，随着扫描激光束而移动气泡，就可以形成纳米颗粒的图案，如图1。

　　微泡位置的颗粒捕获是由基板上温度梯度引起的自然对流，结合沿着微泡表面的表面张力梯度引起的Marangoni对流而引起的。气泡的平面内曳力引起粒子，在粒子接触微泡表面时将其捕获，这是一种可通过力学方程量化和预测的现象。事实上，还可以通过计算流体动力学（CFD）模拟结果来预测气泡的温度分布。

　　图1. 气泡笔光刻（BPL）是一种使诸如量子点、聚苯乙烯珠或其他纳米颗粒等胶体颗粒在等离子体基板上图案化的方法，它采用激光器生成光学控制微泡，以便将颗粒截留并固定在气泡位置（上图）。不同的激光功率密度生成具有不同尺寸的气泡（左下图），它们能将三维形状的颗粒截留在气泡本身的球形外壳上（右下图）。

　　在进一步的实验中，具有不同功率密度的激光器可用于生成不同尺寸的气泡，以便能够以1 mW/μm2的激光功率能级将聚苯乙烯珠之类的纳米颗粒合并到具有一种三维外壳结构的气泡上，其功耗比典型光学镊子（100 mW/μm2）低100倍。

　　得克萨斯大学奥斯汀分校的助理教授Yuebing Zheng 指出：“根据颗粒类型的不同，图案化颗粒具有多种用途。例如，金属纳米颗粒能够形成超表面和超材料，它们能以天然材料无法提供的方式控制光，且图案化生物细胞能够在组织工程与高通量药物筛选领域找到重大应用前景。未来，我们将进一步研究以提高该技术的吞吐量与自动化水平，以便用胶体粒子和生物细胞大批量制造功能材料与设备。其中一种方法是研发多光束处理技术。”

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