[发明专利]一种金属纳米叉指光栅的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及叉指光栅的制备技术领域，尤其涉及一种金属纳米叉指光栅的制备方法。

背景技术

金属光栅结构和金属叉指电极结构都是微纳光学和电学领域常见的结构，也是光电器件中两个独立的基本单元结构，发挥着不同的功能和作用。目前，关于金属光栅或金属叉指电极应用研究的报道较多，但是还没有看到将金属光栅和叉指电极两种不同功能结合起来实现新光电特性调控的结构设计和相关报道。本发明设计了金属纳米叉指型光栅结构，同时兼有金属纳米光栅和纳米电极两种功能，不仅可以作为纳米材料的电输运特性测试，还可以作为纳米加热器，更重要的是可以实现利用外电场调控金属纳米光栅结构的光电特性，并在表面等离激元纳米光学和生化分子传感和探测领域有重要的应用潜力。例如，近年来表面增强拉曼散射(SERS)由于其在生化探测和单分子检测方面有着巨大的潜力而备受人们的关注，而本发明设计的金属纳米叉指光栅为研究SERS提供了新的途径，在此结构中的金属叉指光栅电路中相当于多级电容并联，在外加交变电压作用下可以在光栅相邻两条金属线间产生交变电场，从而可以为SERS探测的有机分子提供电场环境。通过本发明设计的金属纳米叉指型光栅结构，可以研究在外加电场作用下金属纳米光栅的SERS光谱特性，通过改变外加电场的振幅、频率来有选择性的调节有机分子拉曼信号的强弱，从而可能实现对拉曼光谱的外在动态调制，同时研究调制过程的相关机制，对于研究有机物中特殊键合的分辨和和精确检测等方面具有重要意义。

这种金属纳米叉指光栅结构加工难点在于其结构密度高、单线尺度窄且长，因此加工工艺要保证光栅相邻金属线不能连通，否则此光栅就会变成电阻，不能够在相邻金属线间产生交变电场。如果采用先电子束曝光然后热蒸发沉积金属，再用常用的溶脱（Lift-off）的方法则难以确保所有相邻的光栅线条都不连通。因为本发明的金属光栅结构单元在几十纳米，所以很难将光栅线条间多余的金属完全融脱掉，极易造成相邻金属线的粘连，因而这种方法不适合加工这种纳米级器件。而本发明采用的这种先沉积金属再电子束曝光，最后离子束刻蚀的方法便可以有效的解决这个问题，不仅可以实现光栅相邻线条不连通，而且可以通过调节曝光参数以及刻蚀条件来制备不同尺寸的金属叉指光栅。这种制备方法不仅需要优化电子束曝光和离子束刻蚀两方面的工艺参数，同时还要考虑两个工艺过程的良好衔接和配合补充，以满足不同的结构尺寸制备需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种金属纳米叉指光栅的制备方法，能够使得系统具有较高的安全性、稳定性及可靠性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属纳米叉指光栅的制备方法，其包括以下步骤：

步骤A：在清洗好的衬底基片上，采用镀膜设备生长金属膜；

步骤B：对所述金属膜旋涂光刻胶，采用电子束光刻方法在光刻胶上制备叉指光栅；

步骤C：采用离子束刻蚀方法将所述叉指光栅转移到金属膜上；

步骤D：洗去金属膜和叉指光栅上的残胶，以及去掉上面的残留有机物。

作为上述金属纳米叉指光栅的制备方法的一种优选方案，在步骤A中，所述衬底基板清洗完毕之后，需将其放置于热板上烘烤5-10min。

作为上述金属纳米叉指光栅的制备方法的一种优选方案，在步骤A中，所述一定厚度的金属膜的厚度为30-80nm。

作为上述金属纳米叉指光栅的制备方法的一种优选方案，在步骤B中，所述光刻胶为对电子敏感光刻胶，且旋涂光刻胶之后，采用热板或烘箱对涂有光刻胶烘烤1-2min，烘烤温度为180°。

作为上述金属纳米叉指光栅的制备方法的一种优选方案，在步骤C中，对光刻胶和衬底均有刻蚀效果。

作为上述金属纳米叉指光栅的制备方法的一种优选方案，在步骤A中：对所述衬底基片的清洗是依次采用丙酮、酒精、二次去离子水进行三步超声清洗，每步各清洗3-5min,然后再使用氮气枪吹干。

作为上述金属纳米叉指光栅的制备方法的一种优选方案，在步骤A中，生长金属膜之前，先在衬底基片上先生长一层铬或钛过渡层，然后再在此过渡层上生长金属膜。

作为上述金属纳米叉指光栅的制备方法的一种优选方案，在步骤B中，通过更改曝光剂量来调整光栅图形的尺寸，且曝光结束之后进行显影和定影，显影时间40s，定影时间30s。

作为上述金属纳米叉指光栅的制备方法的一种优选方案，在步骤C中，离子束刻蚀与样品台的刻蚀角度为10-30°，离子能量为250eV-350eV，离子束刻蚀时间2min-3min。