高密度、均匀的单层金属纳米颗粒阵列结构在表面等离激元光子学、柔性电子学、高密度数据存储等领域有重要的应用前景。传统的化学合成与颗粒自组装过程，一般需要引入额外的化学分子，并且在单层颗粒的大面积制备和缺陷抑制方面存在不足。值得关注的是，利用激光束诱导金属纳米薄膜的去润湿过程，可以提供另一种制备单层颗粒的途径，作为一种物理方法，其在可重复性和大面积制备等方面有重要优势。然而，光照引发的热效应倾向于加速纳米颗粒的熟化及粗化过程，并且以往的研究表明颗粒尺寸随薄膜厚度的增加一般呈指数式增大，造成了颗粒尺寸调控的困难。如何利用激光照射纳米薄膜获得超小粒径、尺寸均一的单层纳米颗粒是一个亟待解决的难题。

为了解决上述问题，国家纳米科学中心刘前研究员、南方科技大学郭传飞教授、伊比利亚国际纳米技术实验室王中长教授、青岛大学张子旸教授等人利用自主研发的高精度激光直写纳米光刻机，成功调控了贵金属薄膜在玻璃基底上的去润湿动力学行为，实现了银、铜、金多种纳米薄膜的异常细化，可以得到亚10nm的超小颗粒，实现了尺寸均一、高密度的单层纳米颗粒准周期阵列。针对银纳米薄膜的实验表明，当入射的激光能量密度超过特定阈值时，银纳米颗粒的尺寸与膜厚之间近似成线性关系，与文献中常见的指数式尺寸增长规律有明显不同，这为颗粒尺寸在10nm尺度上的线性调控提供了新的理论基础。透射电子显微镜分析表明，大量的纳米颗粒呈现出良好的单晶结构。这项工作所展示的颗粒尺寸异常细化有着十分复杂的物理机制，研究团队尝试从入射光束空间尺度的角度做了分析，认为极小的光斑尺寸调控了薄膜局域温度场及表面张力梯度，促进薄膜分裂的同时抑制了颗粒长大。鉴于相邻颗粒之间存在2nm左右的间隙，整个单层纳米颗粒阵列内布满了超高密度的局域电磁场增强“热点”，很适合作为表面增强拉曼散射（SERS）检测芯片，其对于罗丹明和结晶紫分子的检测极限均达到飞摩尔级别，且具有优异的空间信号一致性。这项工作展示了激光诱导制备单层纳米颗粒均匀阵列的物理途径，拓展了对薄膜去润湿动力学行为的认识，同时提供了一种高灵敏度SERS检测芯片的激光制造方法。

图1 激光制备单层金属纳米颗粒的方法与异常细化现象。

图2 纳米颗粒的尺寸控制。

图3 单层银纳米颗粒的SERS检测性能。

微纳加工是纳米研究的重要基础之一。然而，随着各种新型器件和结构的出现，常规的微纳加工方法已经无法完全满足需要，刺激了人们探索更高性价比、更强加工能力的非常规加工方法。国家纳米中心刘前团队基于自主研发的新概念激光直写设备，开发出了多种非常规加工方法（MT Nano, 2021，16，100142，Nano Lett., 2020, 20, 4916；Nature Commun., 2017, 8, 1410；Nano Lett., 2017, 17, 1065-1070；Nature Commun., 2016, 7, 13743）。

Wang L, Wang S, Wang X, et al. Anomalous refinement and uniformization of grains in metallic thin films. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5902-9.

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