[发明专利]等离激元共振频率可宽范围调控的银纳米粒子点阵的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及纳米材料与纳米器件，生物/化学传感器技术领域，具体地说是涉及等离激元共振频率可宽范围调控的银纳米粒子点阵的制备方法。

二、背景技术

纳米粒子点阵的等离激元共振性质在纳米光子器件、微纳传感器件等领域中具有重要的应用背景，尤其是在等离激元增强光谱(如表面增强拉曼光谱，表面增强荧光光谱等)学中，纳米粒子点阵的等离激元共振频率以及点阵中纳米粒子之间的间距和电磁耦合强度对等离激元增强光谱的灵敏度和效率有着至关重要的影响。虽然国际上已发展了几种调控银纳米粒子点阵等离激元共振频率的方法，但是对于直径在30nm以下的密集银纳米粒子点阵的等离激元共振调控仍缺乏有效的调控方法。虽然电子束刻蚀从理论上可以实现高精度制备纳米粒子点阵，但是有效制备直径小于30nm并且面间距小于10nm的密集纳米粒子点阵依然存在困难，并且，电子束刻蚀在大规模高精度制备纳米粒子点阵时代价昂贵，效率低下，不切实用；另一方面，胶体纳米粒子的自组装虽然易于实现大面积小间距纳米粒子点阵的制备，但是由于胶体纳米粒子表面覆盖大量有机物而影响了其应用。并且，胶体纳米粒子表面的表面活性剂严格束缚纳米粒子之间的间距，从而对于固定的表面活性剂，胶体纳米粒子点阵的等离激元共振是固定的，难以调控。这个问题同样存在于模板诱导制备的纳米粒子点阵。此外，目前已发展的了几种方法，如“软印刷术(soft-lithography)”、“小球印刷术(nanosphere-lithography)”等，但是所制备的粒子点阵通常粒子直径大于50nm，近邻粒子面间距大于30nm。总之，对于直径小于30nm的密集银纳米粒子点阵的等离激元共振调控依然缺乏有效、通用的手段。

三、发明内容

1.发明目的

本发明的目的在于提供一种等离激元共振频率可宽范围调控的银纳米粒子点阵的制备方法。此方法可通用于常见的纳米材料和器件的气相制备工艺流程中，具有低成本、工艺简单、高效率、易于规模化等特点。

2.技术方案

本发明是利用超薄有机物薄膜(方华膜或火棉胶膜)涂覆衬底表面，通过控制团簇束流沉积量以调控纳米粒子点阵的粒子数密度，通过改变点阵中纳米粒子的电磁近场耦合实现纳米粒子点阵等离激元共振频率的宽范围调控。由于该方法易于制备纳米粒子直径小于30nm的密集银纳米粒子点阵，克服了传统方法中难以实现小尺寸纳米粒子密集点阵等离激元调控的缺点，在等离激元增强光谱中有重要应用价值。因此，该方法提供了一种高效、低成本并可大面积制备等离激元共振频率可宽范围调控的密集银粒子点阵的通用方案。

本方法的工作原理是：利用超薄有机物薄膜覆盖衬底表面以限制低能纳米粒子在其表面的徙动，通过沉积率可精确控制定向运动纳米粒子束流在衬底上进行沉积，通过控制沉积时间实现对纳米粒子点阵的粒子数密度的控制，从而对点阵中纳米粒子面间距的统计分布实现调控，达到调控纳米粒子点阵的等离激元共振频率的效果。同时，通过原位紫外-可见分光光度计实时监测纳米粒子点阵的消光曲线，实现对其等离激元共振频率的选择。

等离激元共振频率可宽范围调控的银纳米粒子点阵的制备方法，其制备步骤如下：

(1)首先在衬底表面涂覆一层均匀的超薄有机薄膜，然后把涂覆薄膜的衬底四角涂抹真空硅胶固定在带有透光孔的可旋转衬底座5上；

(2)将衬底座5安装到纳米粒子束流沉积系统的高真空沉积室8中，使得衬底座5上的衬底处于纳米粒子束流4的中心；

(3)利用抽气系统罗兹泵9和分子泵10对沉积室8抽真空，并从惰性气体入口11向气相聚集法团簇束流源的冷凝室6内充入惰性气体，气相聚集法团簇束流源7中的原子化器1通过磁控溅射或高温蒸发产生高密度银原子气，银原子气在冷凝室6中的惰性气体中生长成为银纳米粒子，银纳米粒子随惰性气体通过喷嘴2等熵膨胀形成纳米粒子束流4，纳米粒子束流经过准直器3进入高真空沉积室8内，形成高度定向的银纳米粒子束流4；

(4)旋转高真空沉积室8内衬底座5上的连接杆，使固定在衬底座5上的衬底与纳米粒子束流成30°入射角，调节溅射电源的输入功率控制银纳米粒子束流的等效沉积速率为0.02nm/s，通过控制沉积时间来调控纳米粒子在衬底上的覆盖度；在入射光纤12处引入紫外-可见光，并通过探测接收光纤13对透射光进行原位接收并接入分光光度计，实时检测银纳米粒子点阵的消光光谱；通过对纳米粒子覆盖度的控制改变纳米粒子点阵中银纳米粒子的数密度和面间距分布，从而实现对银纳米粒子点阵等离激元共振频率的调控。

上述制备步骤(1)中所述的有机薄膜为方华膜或火棉胶膜；有机薄膜膜厚8-15nm；所述的衬底为石英玻璃片。