[发明专利]带有尖端的金属纳米带阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构领域，具体涉及一种金属纳米带阵列的制备方法。

背景技术

近年来，金属纳米结构阵列(特别是贵金属纳米结构阵列，例如金、银等)由于其独特的物理、化学性能正引起越来越多的关注。金属表面自由电子集体激发所产生的等离子体共振使金、银、铜等金属纳米结构阵列具有良好的光学特性。实验表明，当金属纳米结构阵列中存在金属尖端时，在阵列尖端处的电磁学特性得到极大增强，从而可以提升阵列的光学特性。带有尖端的纳米带结构阵列，可以激发阵列的SPR效应、SERS效应，进而在制造生物/化学传感器、表面增强光谱衬底等方面有中拥有重要应用。

目前，制备带有尖端的金属纳米结构阵列的方法通常采用“自上而下”的工艺来制备，经常使用的方法包括离子束光刻及电子束刻蚀。这种制备方法对实验设备依赖性较强，同时制造成本比较昂贵，不适于纳米阵列结构的大面积、可重复制备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种通用性强、适应性广、兼容性好、效率高、成本低且能为研究金属纳米结构阵列特性提供便利的带有尖端金属纳米带阵列的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用“自上而下”与“自下而上”相结合的方法，即采用纳米球光刻技术，制备带有尖端的金属纳米带阵列，具体采用以下的技术方案：

一种带有尖端的金属纳米带阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备单层有序聚苯乙烯(PS)纳米球致密排列：先配置PS纳米球悬浮液，将所述PS纳米球悬浮液旋涂于一硅片表面，在所述硅片表面形成单层有序PS纳米球致密排列；优选地，PS纳米球的平均粒径为10nm～5000nm，单分散性小于5％；所述PS纳米球悬浮液的溶剂为乙醇或/和去离子水，PS纳米球与所述溶剂的体积比为5％～40％；

(2)制备单层有序PS纳米球非致密排列：采用感应耦合等离子体刻蚀法将所述致密排列的PS纳米球刻小，在硅片表面得到单层有序PS纳米球非致密排列；

(3)蒸镀金属：利用蒸镀工艺在形成有单层有序聚苯乙烯纳米球非致密排列的硅片表面沉积一层金属膜，在蒸镀过程中，将硅片倾斜，使所述硅片的法线方向同蒸镀方向存在一定夹角，进而使蒸镀方向上相邻的两PS纳米球在硅片上的投影相交，在投影相交处形成尖端；所述夹角同PS纳米球间的中心距、PS纳米球粒径及粒高相关，设所述夹角为θ，可以通过以下公式大致确定夹角θ范围，式中t为两PS纳米球间中心距，r为PS纳米球半径，h为PS纳米球粒高。

通过以上公式，可以计算得到在蒸镀过程中硅片的法线方向同蒸镀方向的夹角θ的优选值为15°～80°。

优选地，沉积的金属膜为单金属膜或多金属复合膜，所述金属为金、银、铜或其他过渡金属的至少一种；

(4)制备金属纳米带阵列：去除经所述步骤(3)后沉积有金属膜的硅片表面的PS纳米球，得到带有尖端的金属纳米带阵列(硅片上未蒸镀上金属膜的地方形成金属纳米带，与上述得到的尖端共同形成带有尖端的金属纳米带阵列)。

作为对上述技术方案的优化，所述步骤(1)中，旋涂时的转速为1500rpm～6000rpm，旋涂时间为1min～20min。

作为对上述技术方案的优化，所述步骤(2)中，利用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀致密排列的PS纳米球的工艺过程和工艺参数为：在感应耦合等离子刻蚀机真空腔中，以氧气为气源对致密排列的PS纳米球进行刻蚀，所述氧气的体积流量范围为30sccm～60sccm，所述真空腔的真空度控制在0.01±0.003Pa，所述刻蚀过程中的射频功率为38W～60W，刻蚀时间为1min～15min。

通过控制PS纳米球的颗粒大小及ICP干法刻蚀PS纳米球的工艺参数，可以更好地实现对PS纳米球阵列粒径和粒高的控制，从而实现对后续带尖端纳米带阵列模版的单体尺寸和阵列排布的控制，进而为研究纳米结构单体尺寸、阵列排布参数相关的阵列总体特性提供了便利。

作为对上述技术方案的优化，所述步骤(3)中，蒸镀工艺采用真空蒸镀法，所述真空蒸镀法是指：在电子束蒸发镀膜系统的工作腔中，抽真空至0.1Pa～1Pa，升温至100℃～150℃，继续抽真空至4×10^-4Pa～7×10^-4pa，预热枪灯丝后电压升至7000V～9000V，开始在形成有单层有序PS纳米球的非致密排列的硅片表面蒸镀，蒸镀速率控制在当镀层厚度达到时，关挡板停止镀膜，完成蒸镀。