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纳米粒子或纳米团簇及其阵列由于其尺寸、结构和环境高度灵敏的光、电、磁响应特征,在电磁辐射、磁场、温度、气体、生物分子传感领域具有直接的应用价值。团簇或纳米粒子用于纳米传感器件的关键,是以它们为结构单元构造特定的结构图案,如一维线阵、二维面阵,以及其组合而成的复杂图案。其中按近距邻接(紧密间距)耦合方式构造的密集排列团簇阵列在纳米光、电和传感器件的设计中具有重要的意义。所谓近距,是指相邻纳米粒子表面之间的间距足够小,使得电子在一定的偏压作用下,能以足够的几率通过隧道穿透实现在粒子间的传递;或者粒子的间距远小于光波长,由光场产生的粒子间的近场相互作用足够强,超过粒子间的范德华相互作用,能够使粒子间通过光激发的表面等离激元共振发生相干耦合。无论是共振隧穿还是等离激元共振近场耦合,都是与纳米粒子间距高度敏感的,其强度随间距增大急剧衰减,因此需要使纳米粒子的面间距或称耦合距离保持为数nm的尺度,即实现纳米粒子的近距邻接耦合。
本文首先介绍了以低能团簇束流淀积(LECBD)方式制备团簇的相关理论和实验方法。选取贵金属银团簇作为研究对象,在基于磁控溅射—气体聚集团簇源的超高真空多功能团簇束流系统(UHV—CBS)上,通过调节多种实验参数,获得了具有较高强度且稳定可控的团簇束流,制备了尺寸可控的近距邻接银纳米团簇组装薄膜。通过透射电子显微镜(TEM)对样品结构进行显微表征,并对沉积量获得精细调控下淀积的团簇密集排列薄膜结构参数进行了统计分析,进而得出LECBD方法制备近距邻接银团簇组装粒子阵列的形貌特征和生长机理。结果表明,制备样品中团簇的尺寸分布满足典型的对数正态分布或者是若干对数正态分布的叠加,团簇构成薄膜的总体形貌呈现出随机淀积的特征。当团簇在衬底表面的覆盖率达到60%以上时,团簇的面密度、团簇尺寸随淀积时间或淀积量的进一步增加而稳衡地发展,将导致近邻团簇间的面间距分布稳定地向近距移动,从而为通过控制团簇的表面覆盖率获得密集排列的耦合团簇阵列提供了可能性。
由纳米粒子随机沉积形成的近距邻接纳米粒子阵列本质上是一类无序结构。渗流模型由于在处理无序体系的高效性,使得近年来有关纳米组装结构中短程关联的渗流过程的研究多受关注。本文提出了一个基于二维渗流理论的统计方法以定量分析实验制备的团簇组装密集排列耦合纳米粒子结构的渗流特性。通过对样品TEM照片的数字化处理来获取结构参数信息,利用这些数据借助设计的计算机程序自动搜索体系中团簇粒子近距邻接链结构,从而得到了不同覆盖度下的渗流长度分布和有限尺度体系的渗流阈值等结果,同时根据实验数据计算的结果证明了有限体系渗流阈值pc(L)和体系尺度L的关系满足pc(L)-pc(∞)∝L-z这一特定形式的标度律。论文还设计了LECBD方式制备团簇组装纳米粒子密集排列阵列结构的生长模型并开展了计算机模拟和对模拟结果的渗流特性分析。在较低覆盖率下模拟结果与实验结果具有较好的一致性,进一步论证了论文所提出的团簇沉积生长密集排列纳米粒子阵列结构的方法与机制的合理性。