基于结构化表面改性调制的瑞利不稳定性的金属纳米线形貌操控及其应用研究

Plateau-Rayleigh instability (PRI) self-assembling technology has great potential in micro-nano fabrication due to its merits of simple process, low cost, and high precision. The key to high-precision fabrication is to inhibit the dispersion characteristic of PRI and overcome the restriction of minimum spacing of PRI. This project will aim at proposing a novel modulating mechanism for PRI via a structured surface modification of metal nanowire (MNW), based on which a new technology for morphology manipulation of MNW will be developed and used to fabricate a novel nanowire-based memristor. The project will cover the following topics: (1) guide surface atom diffusion of MNW via the structured surface modification to inhibit the dispersion characteristic and overcome the restriction of minimum spacing of PRI, which is to manipulating morphology of MNW precisely. (2) conduct the research on polydimethylsiloxane stamp-based key techniques of high-precision alignment, structured surface modification, and PRI self-assembly of MNW. (3) fabricate a single segmented nanowire-based volatile memristor by using the PRI self-assembling technique, and study switching mechanism of the memristor by adjusting the nanogap structure of the segmented MNW, followed by exploring approach to enhance key switching performance (switching voltage and stability) of the memristor. We believe that this project will not only provide a new modulating mechanism and technique for PRI self-assembly of MNW, but also pave the way for controllable self-assembly of other one-dimensional materials.

瑞利不稳定性（PRI）自组装技术因具有工艺简单、成本低、精度高等优点，在微纳加工领域有巨大的应用潜力。如何抑制PRI色散特性和突破PRI最小间距限制是实现高精度加工的关键问题。本项目提出结构化表面改性调制PRI的新机制，并基于该机制发展高精度的金属纳米线形貌操控方法，构建新型金属纳米线忆阻器。具体研究包括：（a）采用结构化表面改性来调控金属纳米线的表面原子扩散运动，进而抑制PRI色散特性和突破PRI最小间距限制，实现金属纳米线形貌的精准操控；（b）开展基于聚二甲基硅氧烷软印章的高精度纳米线取向化、结构化表面改性和PRI自组装等关键技术的研究；（c）采用PRI自组装构建基于单根分断纳米线的新型挥发性忆阻器，通过操控分断间隙结构研究其开关机制和关键性能（开关电压和稳定性）提升的方法。本研究将为金属纳米线PRI自组装提供新的调控机制和技术，也为其它一维纳米材料的自组装提供机制参考和技术储备。

瑞利不稳定性（PRI）自组装技术在微纳加工领域有巨大的应用潜力，如何调控PRI特性是实现高精度加工的关键。传统上，PRI调控依赖于模板法和高温退火，此类方法存在模板制作复杂且难以去除、能耗高的问题。为规避上述问题，本项目提出结构化表面改性调制金属纳米线PRI的新方法，开展以下研究：（1）表面改性调控金属纳米线PRI的规律与机制研究；（2）金属纳米线结构化表面改性的关键技术研究；（3）采用PRI自组装构建基于分断纳米线的新型挥发性忆阻器。. 本项目以银纳米线（AgNW）作为加工对象，碘鎓盐、烷烃硫醇和苯并杂环巯基化合物作为表面修饰材料，取得以下研究成果：（1）发现了两种表面改性调控AgNW PRI特性的新现象，并揭示相应的作用机理：碘鎓盐通过自组装颗粒构成化学势扰动来促进PRI的发生；由于热稳定性和自组装单分子层（SAM）形貌差异，烷烃硫醇和苯并杂环巯基化合物两类分子的SAM分别具有促进和抑制PRI特性。（2）基于紫外曝光和软光刻的结构化表面改性，发展了面向银纳米线形貌操控的基于碘鎓盐和SAM的两种PRI自组装技术。前者不仅能够实现单根纳米线突破瑞利判据基线的纳米尺度分断，而且能够实现银纳米线网络高精度大面积图形化；SAM调制的PRI自组装技术则能够实现银纳米线网络图案的光学消影。（3）利用SAM PRI自组装技术制备出高性能的AgNW网络忆阻器，其开关比达10E4，1000次循环开关比变化率小于5%。. 上述研究证实了通过简单表面改性调控金属纳米线PRI的可行性，所开发的PRI自组装银纳米线图形化技术可以用于高性能的柔性微电极和电子器件的制备，也为高精度金属微纳结构制造进一步发展提供了技术参考。

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