最新一期的《ACS Nano》刊登了我院丁涛课题组利用激光诱导金纳米颗粒向金纳米片转变的研究成果。他们提出了一种薄膜辅助光热变形机制，该机制可以将不同形状的金纳米粒子修剪成纳米片。这种简单的方法特别适用于集成纳米器件的后期制造，它具有较高的空间选择性和器件兼容性。相关成果以“Thin-Film-Assisted Photothermal Deformation of Gold Nanoparticles: a Facile and In-situ Strategy for Single-Plate Based Devices”为题发表在《ACS Nano》上。我院23级博士毕业生姚佳成博士为论文第一作者，丁涛教授为论文通讯作者。
通过光诱导纳米颗粒在衬底上发生形状改变在单颗粒器件制造和片上集成等方面具有操作简单和原位可控的独特优势。然而，目前关于金纳米片的制造策略大都是基于湿化学生长/蚀刻，这可能导致表面产生化学污染，其局部选择性和器件兼容性十分有限。通过光热效应使颗粒发生变形可以克服这些困难，但由于熔融金属具有较高的表面张力，很难实现由颗粒到片的形状转变。因此，需要一种简单有效且适用性高的策略来克服表面张力的影响，实现无表面污染的单颗粒器件制造和片上集成。
图1. 薄膜辅助金纳米颗粒的光热变形。 (a)激光照射前后Au纳米颗粒的散射光谱变化及SEM图像变化; (b) TiO2薄膜在不同位置的温度分布，插图为15 nm TiO2/Si衬底上Au纳米颗粒周围的模拟温度分布，粉色的线标志着X轴的起点和终点；(c) 薄膜辅助金纳米颗粒光热变形机理：(Ⅰ) Au纳米颗粒的熔融；(Ⅱ) 变形成面包状Au纳米液滴；(Ⅲ) 薄膜辅助Au纳米液滴侧向拖曳成圆盘液滴； (Ⅳ) Au圆盘液滴冷却再结晶成Au纳米片。
丁涛课题组在实验中观测到用连续激光辐照金纳米颗粒可以将其转变成金纳米片（图1a），并且该过程只有在特定厚度的介质薄膜上才能成功。基于此，他们提出了一种薄膜辅助金纳米颗粒光热形变机制。在适当功率的激光照射下，Au纳米颗粒产生的强烈光热效应可以使金纳米颗粒及其下方薄膜的温度局部升高到熔点以上(图1b)。熔融的Au纳米颗粒受表面张力作用，变形成面包状液滴(图1c-II)。同时，由于金纳米颗粒与周围环境之间存在较强的温度梯度(图1b)，TiO2熔融薄膜在热泳力的驱动下向外扩散，并带动金熔融液体向外扩散，其光热泳诱导的作用力(~ nN)可以充分克服表面张力，将面包状的Au液滴拉伸成一个扁圆盘(图1c-III)。当激光关闭时，金颗粒温度在微秒的时间尺度内降至室温，使圆盘状Au纳米液滴再结晶为带棱角的纳米片(图1c-IV)。与传统的化学生长策略不同，这种薄膜辅助光热诱导的形变克服了表面张力的巨大能量势垒，呈现出干净的表面，没有任何化学配体，适用于传感和光电子器件等应用场景。实验和仿真结果表明该策略可以将不同形状的纳米颗粒归一化成纳米片。这种薄膜辅助光热变形可以与纳米光刻技术相结合，用于纳米电子器件，提高电化学反应性和灵敏度。
该研究工作受到国家自然科学基金,国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费资助。武汉大学纳米中心对相关材料的表征提供支撑服务。
论文信息
Authors: Jiacheng Yao, Yong Li, Shuangshuang Wang, Tao Ding*
Title: Thin-Film-Assisted Photothermal Deformation of Gold Nanoparticles: a Facile and In-situ Strategy for Single-Plate Based Devices
ACS Nano, 2024, 18, 15, 10618–10624
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c00620
