近日，中科院深圳先进技术研究院研究员喻学锋与香港城市大学教授朱剑豪合作，在纳米自组装三维超晶格光学芯片领域取得新突破，解决了“咖啡圈效应”难题。相关论文已被《先进材料》杂志作为封面文章发表。
纳米超晶格是由纳米颗粒周期性有序堆积而形成的新型超材料。该结构中，有序排列的相邻纳米颗粒在光、电、磁等作用下会彼此相互作用，从而产生纳米颗粒本身不具备的整体集合性能。因而，纳米超晶格被认为是纳米材料向宏观器件的有效过渡，在显示、传感、太阳能电池、光纤通信等领域有巨大应用潜力。
液滴挥发自组装技术是构筑超晶格结构的一种简单有效的传统方法。然而，溶剂挥发过程中，液滴内部的外向毛细流动会将悬浮的颗粒携带至液滴边缘，并在边缘沉积形成环状。这种人们熟知的“咖啡圈效应”往往导致纳米颗粒的不均匀沉积，从而严重影响其排列和有序自组装。
为解决这一难题，该课题组成员李鹏辉、李泳等建立了一种反咖啡圈效应的方法，可有效控制液滴蒸发过程颗粒在基底表面的自组装行为。以金纳米棒为例，通过简单调控颗粒的表面化学性质和基底特性，即可实现金纳米棒致密、规则、垂直的超大规模自组装排列，成功实现构筑厘米尺度的三维超晶格结构，展现出极好的拉曼增强效应和光学均匀性。并且给出了构筑这种三维超晶格的方法，可推广到各种纳米材料中。
该项成果可广泛用于表面增强拉曼光谱、荧光增强、太阳能电池、生物芯片等诸多领域；更为重要的是，该项成果为突破“咖啡圈效应”的限制，实现超大规模纳米自组装提供了一种简单有效的方法。