夏幼南最新Angew：籠狀納米金等離子體加熱誘導高分子薄膜出現微觀圖案化鐵電相變

【引言】

基于等離子體納米結構的光子熱轉換過程已經被用來探究去激發局域化主體介質的加熱過程，該研究在生物制藥、蒸汽運作、微流控光學以及加快化學反應過程等領域受到了廣泛關注。通過局域化的表面等離子體共振效應，可以實現熱量從等離子體納米顆粒向主體介質的轉移過程，并進一步實現部分光子能量的轉換過程，然而這部分能量會喪失到周圍環境中去。已有相關研究指出可以使用該等離子體加熱手段在水、熱力學響應的共聚高分子材料以及相變材料中去誘導相變過程。這些在主體介質材料中發生的等離子體輔助的相變過程可以導致材料中物理化學性質的改變，這樣可以為功能化材料的設計和合成提供了新的強有力的方法。

鐵電高分子材料由于其在合成方法、柔性以及低成本無毒性等方面的優勢，已成為下一代壓電/熱電材料的研究熱點。聚偏二氟乙烯（PVDF）是一種常見的鐵電高分子材料（主要有a、b、g相），其具有的壓電/熱電性質使得基于觸覺傳感器、紅外探測器、能量捕獲器件以及無揮發式記憶器件的薄膜的合成成為可能。為了實現該類材料的實際應用，研究工作者需要圖案化處理鐵電相（ b、g相），但是要排除順鐵電相的存在（a相），目前該圖案化處理過程主要通過照射蝕刻和壓印光刻兩種方法實現。前種辦法會破壞鐵電性質，但是也不能簡單得通過壓印光刻法來獲得光滑平整的薄膜材料。當PVDF加熱到其熔點或者鐵電相變的居里溫度（170℃）時，PDVF材料會發生從鐵電相向順電相的轉變過程。Wegner報道了一種通過頂部鋁電極來實現聚集激光束的掃描技術，采用該方法用來合成出圖案化的PVDF薄膜。這種方法合成出的PVDF薄膜出現了寬度在80-90um的去極化條帶。但是由于金屬電極的高反射效應以及熱量在電極和薄膜之間的傳遞作用使得該合成方法的效率降低。

【成果簡介】

日前來自美國佐治亞理工學院的夏幼南教授（通訊作者）研究團隊提出了一種等離子體納米結構去捕獲光子能量從而誘導PDVF薄膜發生鐵電相－順電相的相變過程的研究方法，該論文被評選為VIP文章（Very Important Paper）。在該方法過程中，研究人員將Au納米籠狀顆粒與PVDF混合，然和將混合物包裹進薄膜中。由于金納米籠狀體顆粒具有在近紅外區可調節的局域表面等離子體共振效應以及可觀的光子熱力學效應，研究人員采用金納米籠狀體顆粒作為等離子體納米結構，當其分散在PVDF薄膜中，金納米籠狀顆粒可以在激光的激發下誘導局域熱量的出現，從而可以進一步在幾秒的時間內引發鐵電相變過程。因此該等離子體輔助的高效相變轉換過程可以圖案化鐵電b相，這樣可以使近紅外響應熱電器件的合成制備過程得以簡化。

【圖文導讀】

圖1. 金納米籠狀顆粒的透射電鏡圖以及金納米籠狀顆粒和PVDF混合溶液

(a). 金納米籠狀顆粒的透射電鏡圖。

(b). 在酒精和PVDF混合溶液中均勻分散的金納米籠狀顆粒的混合溶液。

(c). 金納米顆粒分散溶液、PVDF薄膜以及金納米顆粒/PVDF薄膜的消光光譜圖，酒精溶液中的金納米顆粒的局域化表面等離子體共振效應相對于PVDF溶液中的金納米顆粒在733nm處發生紅移。

圖2. 金納米顆粒/PVDF薄膜的傅立葉變換光譜以及相變過程、溫度與激發的激光強度之間的關系。

(a). 在808nm波長處以及不同的激發時間下，金納米顆粒／PVDF薄膜的傅立葉變換光譜圖。

(b). 相變過程以及相變溫度與激光能量密度之間的相互關系。

圖3. 金納米顆粒／PDVF薄膜的鐵電相圖案化處理過程圖示過程

(a). 通過直接激光照射實現在金納米顆粒/PVDF薄膜中鐵電相的圖案化處理過程。過程中使用了785nm的激光光源拉曼顯微鏡，同時樣品的移動過程是通過軟件控制的。

(b). 金納米顆粒/PVDF薄膜的拉曼分布圖。

(c). 無輻射的區域（b相區域）。

(d). 在金納米顆粒/PVDF薄膜中的激光激發區域。

(e) 相變過程中在圖b虛線處相變發生程度和距離之間的關系。

圖4. 通過相變圖案化實現了紅外成像

(a). 使用圖案化鐵電相的金納米顆粒／PVDF薄膜材料制備的器件在激光激發下，用于紅外呈像過程圖解。

(b). 在脈沖激光的激發下，感光陣列的像素響應會選擇性的顯示出來。

文獻鏈接：Micropatterning of the Ferroelectric Phase in a Poly(vinylidene difluoride) Film by Plasmonic Heating with Gold Nanocages ( Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 10.1002/anie.201605405?)

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