胶体刻蚀——纳米结构化表面的构筑与应用

摘要/Abstract

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

Abstract:

Combining “top-down” patterning with “bottom-up” self-assembly as template colloidal lithography provides a unique patterning strategy. Spontaneous formation of well-ordered colloidal arrays provides lithographic masks or scaffolds for creating useful patterns. Based on self-assembly of colloidal spheres as template, the controlled “positive” deposition of nanoparticles and “negative” etching processes could be used for the fabrication of nanostructured materials, ranging from several tens of nanometers to micrometer scales for 2D and 3D ordered architectures. The feature size can easily shrink below 100 nm by reducing the diameter of the microspheres used according to the simple correlation between the interstice size and the sphere diameter. The feature shape can be easily diversified by the crystalline structure of a colloidal crystal mask, the time of anisotropic etching of the mask, the incidence angle of the vapor beam and the mask registry. Colloidal lithography provides a complementary tool for conventional and fully “top-down” lithographic techniques, and thus holds immense promise in surface patterning. They show versatility applications such as biosensors or chemosensors using for detection tool. Colloidal lithography is also suitable for modifying surface properties which is useful for emerging applications in biotechnology and chemically and structurally designed interactive sites for the attachment.

Key words: Colloidal lithography; Colloidal crystal; Controlled deposition; Controlled etching; Patterning

TrendMD:

张刚, 赵志远, 汪大洋. 胶体刻蚀——纳米结构化表面的构筑与应用. 高等学校化学学报, 2010, 31(5): 839.

ZHANG Gang*, ZHAO Zhi-Yuan, WANG Da-Yang. Colloidal Lithography——Construction and Application of Nanostructured Surfaces. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(5): 839.

参考文献

[1]Xia Y. N., Rogers J. A., Paul K. E., et al.. Chem. Rev.[J], 1999, 99: 1823—1848
[2]Maier S. A., Brongersma M. L., Kik P. G., et al.. Adv. Mater.[J], 2001, 13: 1501—1505
[3]Byron D. G., Xu Q. B., Stewart M., et al.. Chem. Rev.[J], 2005, 105: 1171—1196
[4]Lehn J. M.. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.[J], 1990, 29: 1304—1319
[5]Geissler M., Xia Y. N.. Adv. Mater.[J], 2004, 16: 1249—1269
[6]Cheng J. Y., Ross C. A., Smith H. I., et al.. Adv. Mater.[J], 2006, 18: 2505—2521
[7]Xia Y. N., Zhao X. M., Whitesides G. M.. Microelectron. Eng.[J], 1996, 32: 255—268
[8]Park M., Harrison C., Chaikin P. M., et al.. Science[J], 1997, 276: 1401—1404
[9]Trau M., Yao N., Kim E., et al.. Nature[J], 1997, 390: 674—676
[10]Yang H., Coombs N., Ozin G. A.. Adv. Mater.[J], 1997, 9: 811—814
[11]Gleiche M., Chi L. F., Gedig E., et al.. Chem. Phys. Chem.[J], 2001, 2: 187—191
[12]Moraille P., Badia A.. Angew. Chem. Int. Ed.[J], 2002, 41: 4303—4306
[13]Chen X. D., Rogach A. L., Talapin D. V., et al.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2006, 128: 9592—9593
[14]Krishnamoorthy S., Pugin R., Brugger J., et al.. Langmuir[J], 2006, 22: 3450—3452
[15]Krishnamoorthy S., Pugin R., Brugger J., et al. . Adv. Mater.[J], 2008, 20: 1962—1965
[16]Kim E., Xia Y. N., Whitesides G. M.. Adv. Mater.[J], 1996, 8: 245—247
[17]Gates B., Qin D., Xia Y. N.. Adv. Mater.[J], 1999, 11: 466—469
[18]Ozin G. A., Yang S. M.. Adv. Funct. Mater.[J], 2001, 11: 95—104
[19]Aizenberg J., Braun P. V., Wiltzius P.. Phys. Rev. Lett.[J], 2000, 84: 2997—3000
[20]Fan F. Q., Stebe K. J.. Langmuir[J], 2004, 20: 3062—3067
[21]Zheng H. P., Lee I., Rubner M. F., et al.. Adv. Mater.[J], 2002, 14: 569—572
[22]Koo H. Y., Yi D. K., Yoo S. J., et al.. Adv. Mater.[J], 2004, 16: 274—277
[23]Adamczyk Z., Zembala M., Siwek B., et al.. J. Colloid Interface Sci.[J], 1990, 140: 123—137
[24]Xia Y. N., Yin Y., Lu Y., et al.. Adv. Funct. Mater.[J], 2003, 13: 907—918
[25]Velikov K. P., Christova C. G., Dullens R. P. A., et al. . Science[J], 2002, 296: 106—109
[26]Wang D. Y., Mhwald H.. Adv. Mater.[J], 2004, 16: 244—247
[27]Fischer U. C., Zingsheim H. P.. J. Vac. Sci. Technol.[J], 1981, 19: 881—885
[28]Deckman H. W., Dunsmuir J. H.. Appl. Phys. Lett.[J], 1982, 41: 377—379
[29]Deckman H. W., Dunsmuir J. H., Garoff S., et al.. J. Vac. Sci. Technol. B[J], 1988, 6: 333—336
[30]Hulteen J. C., van Duyne R. P.. J. Vac. Sci. Technol. A[J], 1995, 13: 1553—1558
[31]Haynes C. L., van Duyne R. P.. J. Phys. Chem. B[J], 2001, 105: 5599—5611
[32]Xia D. Y., Ku Z., Li D., et al.. Chem. Mater.[J], 2008, 20: 1847—1854
[33]Jiang P.. Chem. Commun.[J], 2005, 1699—1701
[34]Wang X. D., Graugnard E., King J. S., et al.. Nano Lett.[J], 2004, 4: 2223—2226
[35]Yang S. M., Jang S. G., Choi D. G., et al.. Small[J], 2006, 2: 458—475
[36]Sun F. Q., Cai W. P., Li Y., et al.. Adv. Mater.[J], 2004, 16: 1116—1121
[37]Duan G. T., Cai W. P., Luo Y. Y. et al.. Langmuir[J], 2009, 25: 2558—2562
[38]Haynes C. L., McFarland A. D., Smith M. T., et al.. J. Phys. Chem. B[J], 2002, 106: 1898—1902
[39]Haynes C. L., van Duyne R. P., Nano Lett.[J], 2003, 3: 939—943
[40]Kosiorek A., Kandulski W., Glaczynska H., et al.. Small[J], 2005, 1: 439—444
[41]Kosiorek A., Kandulski W., Chudzinski P., et al.. Nano Lett.[J], 2004, 4: 1359—1363
[42]Lu Y., Liu G. L., Kim J., et al. . Nano Lett.[J], 2005, 5: 119—124
[43]Zhang G., Wang D. Y.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2008, 130: 5616—5617
[44]Hutter E., Fendler J. H.. Adv. Mater.[J], 2004, 16: 1685—1706
[45]Haes A. J., van Duyne R. P.. Anal. Bioanal. Chem.[J], 2004, 379: 920—930
[46]Tian Z. Q., Ren B., Wu D. Y.. J. Phys. Chem. B[J], 2002, 106: 9463—9483
[47]Kneipp K., Kneipp H., Itzkan I.. J. Phys. Condens. Matter[J], 2002, 14: R597—R624
[48]Martin J. I., Nogues J., Liu K., et al.. J. Magn. Magn. Mater.[J], 2003, 256: 449—501
[49]Li Y., Cai W. P., Cao B. Q., et al.. J. Mater. Chem.[J], 2006, 16: 609—612
[50]Moon J. H., Jang S. G., Lim J. M., et al.. Adv. Mater.[J], 2005, 17: 2559—2562
[51]Choi D. G., Kim S., Jang S. G., et al.. Chem. Mater.[J],2004, 16: 4208—4211
[52]Jeong J. R., Kim S., Kim S. H., et al.. Small[J], 2007, 3: 1529—1533
[53]Yang J. L., Duan G. T., Cai W. P.. J. Phys. Chem. C[J], 2009, 113: 3973—3977
[54]Zhang G., Wang D. Y., Mhwald H.. Nano Lett.[J], 2007, 7: 3410—3413
[55]Zhang G., Wang D. Y., Mhwald H.. Nano Lett.[J], 2007, 7: 127—132
[56]Yake M. A., Snyder E. C., Velegol D.. Langmuir[J], 2007, 23; 9069—9075
[57]Zhang G., Wang D. Y., Mhwald H.. Nano Lett.[J], 2005, 5: 143—146
[58]Nelson D. R.. Nano Lett.[J], 2002, 2: 1125—1129
[59]Zhang Z. L., Keys A. S., Chen T., et al. . Langmuir[J], 2005, 21: 11547—11551
[60]Pawar A. B., Kretzschmar I., Langmuir[J], 2008, 24: 355—358
[61]Zhang G., Wang D. Y., Mhwald H.. Chem. Mater.[J], 2006, 18: 3985—3992
[62]Zhang G., Wang D. Y., Mhwald H.. Angew. Chem. Int. Ed.[J], 2005, 44: 7767—7770
[63]Zhang Z., Glotzer S. C.. Nano Lett.[J], 2004, 4: 1407—1413
[64]Tada T., Hamoudi A., Kanayama T., et al.. Appl. Phys. Lett.[J], 1997, 70: 2538—2540
[65]Whitney A. V., Myers B. D., van Duyne R. P.. Nano Lett.[J], 2004, 4: 1507—1511
[66]Tan B. J. Y., Sow C. H., Lim K. Y., et al.. J. Phys. Chem. B[J], 2004, 108: 18575—18579
[67]Wang B. Z., Zhao W., Chen A., et al.. Journal of Crystal Growth[J], 2006, 288: 200—204
[68]Zhang X. M., Zhang J. H., Ren Z. Y., et al.. Langmuir[J], 2009, 25: 7375—7382
[69]Li Y. F., Zhang J. H., Zhu S. J., et al.. J. Mater. Chem.[J], 2009, 19: 1806—1810
[70]Huang Z. P., Wu Y., Fang H., et al.. Nanotechnology[J], 2006, 17: 1476—1480
[71]Huang Z. P., Fang H., Zhu J.. Adv. Mater.[J], 2007, 19: 744—748
[72]Choi S., Park H., Lee S., et al. . Thin Solid Films[J], 2006, 513: 31—35
[73]Moon J. H., Kim W. S., Ha J. W., et al.. Chem. Commun.[J], 2005, 4107—4109
[74]Chen H. L., Chuang S. Y., Lin C. H.. et al.. Optics Express[J], 2007, 15: 14793—14803
[75]Aizpurua J., Hanarp P., Sutherland D. S., et al.. Phys. Rev. Lett.[J], 2003, 90: 057401-1—057401-4
[76]Zhu F. Q., Fan D., Zhu S., et al.. Adv. Mater.[J], 2004, 16: 2155—2159
[77]Peng K., Zhang M., Lu A., et al.. Appl. Phys. Lett.[J], 2007, 90: 163123-1—163123-3
[78]Choi D. G., Yu H. K., Jang S. G., et al.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2004, 126: 7019—7025
[79]Choi D. G., Kim S., Lee E., et al.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2005, 127: 1636—1637
[80]Zheng Y. B., Wang Y. H., Wang S. J., et al.. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects[J], 2006, 277: 27—36
[81]Tan B. J. Y., Sow C. H., Koh T. S., et al.. J. Phys. Chem. B[J], 2005, 109: 11100—11109
[82]Huang W. H., Sun C. H., Min W. L., et al. . J. Phys. Chem. C[J], 2008, 112: 17586—17591
[83]Zhou C. M., Gall D.. Thin Solid Films[J], 2007, 516: 433—437
[84]Liu G. L., Lu Y., Kim J., et al.. Adv. Mater. [J], 2005, 17: 2683—2688
[85]Shumaker-Parry J. S., Rochholz H., Kreiter M.. Adv. Mater.[J], 2005, 17: 2131—2134
[86]Wu L. Y., Ross B. M., Lee L. P.. Nano Lett.[J], 2009, 9: 1956—1961
[87]McLellan J. M., Geissler M., Xia Y. N.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2004, 126: 10830—13831
[88]Geissler M., McLellan J. M., Chen J. Y., et al.. Angew. Chem. Int. Ed.[J], 2005, 44: 3596—3599
[89]Bae C., Moon J., Shin H., Kim J., et al.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2007, 129: 14232—14239
[90]Xu H., Goedel W. A.. Langmuir[J], 2002, 18: 2363—2367
[91]Sun F. Q., Yu J. C.. Angew. Chem. Int. Ed.[J], 2007, 46: 773—777
[92]Li C., Hong G. S., Qi L. M.. Chem. Mater.[J], 2010, 22(2): 476—481
[93]Elghanian R., Storhoff J. J., Mucic R. C., et al.. Science[J], 1997, 277: 1078—1081
[94]Wooley A. T., Guillemette C., Cheung C. L., et al.. Nat. Biotechnol.[J], 2000, 18: 760—763
[95]Braun E., Eichen Y., Sivan U., et al.. Nature[J], 1998, 391: 775—778
[96]Andes R. P., Bein T., Dorogi M., et al.. Science[J], 1996, 272: 1323—1325
[97]Barnes W. L., Dereux A., Ebbesen T. W., Nature[J], 2003, 424: 824—830
[98]Frederix F., Friedt J. M., Choi K. H., et al.. Anal. Chem.[J], 2003, 75: 6894—6900
[99]Curry A., Nusz G., Chilkoti A., et al.. Opt. Express[J], 2005, 13: 2668—2677
[100]Hanarp P., Kall M., Sutherland D. S.. J. Phys. Chem. B[J], 2003, 107: 5768—5772
[101]Lamprecht B., Schider G., Lechner R. T., et al.. Phys. Rev. Lett.[J], 2000, 84: 4721—4724
[102]Charnay C., Lee A., Man S. Q., et al.. J. Phys. Chem. B[J], 2003, 107: 7327—7333
[103]Liu J., Maaroof A. I., Wieczorek L., et al.. Adv. Mater.[J], 2005, 17: 1276—1281
[104]Shiu J. Y., Kuo C. W., Chen P. L., et al.. Chem. Mater.[J], 2004, 16: 562—565
[105]Veiseh M., Zareie M. H., Zhang M. Q.. Langmuir[J], 2002, 18: 6671—6678
[106]Denis F. A., Hanarp P., Sutherland D. S., et al.. Langmuir[J], 2004, 20: 9335—9339
[107]Herzer N., Hoeppener S., Schubert U. S., et al.. Adv. Mater.[J], 2008, 20: 346—351
[108]Kuo C. W., Shiu J. Y., Cho Y. H., et al.. Adv. Mater.[J], 2003, 15: 1065—1068
[109]Weekes S. M., Ognn F. Y.. J. Appl. Phys.[J], 2005, 97: 10J503-1—105503-3
[110]Han S., Hao Z. B., Wang J., et al.. J. Vac. Sci. Technol. B[J], 2005, 23: 1585—1588
[111]Ryu K., Badmaev A., Gomez L., et al. . J. Am. Chem. Soc.[J], 2007, 129: 10104—10105
[112]Park K. H., Lee S., Koh K. H., et al.. J. Appl. Phys.[J], 2005, 97: 024311-1—024311-4
[113]Pacifico J., Jasieniak J., Gomez D. E., et al.. Small[J], 2006, 2: 199—203
[114]Ren Z. F., Huang Z. P., Xu J. W., et al.. Science[J], 1998, 282: 1105—1107
[115]Tu Y., Huang Z. P., Wang D. Z., et al.. Appl. Phys. Lett.[J], 2002, 80: 4018—4020
[116]Wang X., Summers C. J., Wang Z. L.. Nano Lett.[J], 2004, 4: 423—426
[117]Liu D. F., Xiang Y. J., Wu X. C., et al.. Nano Lett.[J], 2006, 6: 2375—2378
[118]Li C., Hong G. S., Wang P. W., et al.. Chem. Mater.[J], 2009, 21: 891—897
[119]Veinot J. G. C., Yan H., Smith S. M., et al.. Nano Lett.[J], 2002, 2: 333—335
[120]Grochowski E., Hoyt R. F.. IEEE Trans. Magn.[J], 1996, 32: 1850—1854
[121]O’Grady K., Laidler H.. J. Magn. Magn. Mater.[J], 1999, 200: 616—633
[122]Li S. P., Lew W. S., Xu Y. B., et al.. Appl. Phys. Lett.[J], 2000, 76: 748—750
[123]Albrecht M., Hu G., Guhr I. L., et al.. Nat. Mater.[J], 2005, 4: 203—206
[124]Weekes S. M., Ogrin F. Y., Murray W. A.. Langmuir[J], 2004, 20: 11208—11212
[125]Zhu J. G., Zheng Y., Prinz G. A.. J. Appl. Phys.[J], 2000, 87: 6668—6673
[126]Zhang G., Wang D. Y. Chem. Asian J.[J], 2009, 4: 236—245
[127]Jiang P., McFarland M. F.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2004, 126: 13778—13786
[128]Jiang P., McFarland M. F.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2005, 127: 3710—3711