[发明专利]硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构制造技术领域，具体涉及一种硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列及其制备方法。

背景技术

表面等离子体共振是金属纳米结构所具有的一种特殊光学性能，可以使得金属纳米结构具有特殊的介电性质，其表面等离子体激元可以在远小于入射光的亚波长尺度上有较强的电磁场增强效应，原理上使得光场在纳米尺度上空间可控，在表面增强拉曼散射、等离子体亚波长光刻、太阳能电池等方面极具应用前景。

对周期性金属纳米结构制备技术进行研究，可以对纳米元的构型、尺寸、材质和矩阵参数进行可控地调节，有利于深入研究金属纳米结构表面电荷移动和能量转移的途径和机理，为探索制备具有特定表面等离子体光子学特性的金属纳米结构体系提供帮助。而硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列的可控制备将是这个领域的关键技术之一。

目前，纳米结构阵列通常通过“自上而下”或“自下而上”工艺来制备。这些制备工艺大多成本较高，制造效率较低，且受限于加工方式的影响，难以实现硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列的可控制备。对金属纳米结构阵列及其制造技术的研究和改进而言，研究如何实现硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列的可控制备，具有重大的理论和现实意义，这同时也是本领域技术人员面临的一个巨大挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供大面积、高密度的硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列，还提供一种通用性强、适应性广、兼容性好、效率高、成本低、且能够为周期性金属纳米结构的研究提供便利的硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列，所述硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列包括一硅片基底，所述硅片基底上设有硅柱纳米结构阵列，所述硅柱纳米结构阵列上设有金属膜纳米结构阵列，金属膜纳米结构阵列单元设于硅柱纳米结构阵列单元上。

上述的硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列中，优选的，所述硅柱纳米结构阵列单元为硅柱颗粒，所述硅柱颗粒的平均粒径为10nm～700nm，所述硅柱颗粒的高度为10nm～500nm，相邻硅柱颗粒之间的间距为50nm～5000nm；所述金属膜纳米结构阵列单元的最大直径为20nm～1000nm，金属膜的平均厚度为5nm～50nm。

上述的硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列中，优选的，所述硅柱纳米结构阵列和所述金属膜纳米结构阵列均为二维周期性排列的六方阵列结构；所述硅柱纳米结构阵列单元和所述金属膜纳米结构阵列单元的组合呈蘑菇状；所述金属膜纳米结构阵列单元的结构为金字塔结构、屋脊结构、八面体结构、帽结构、碗结构、圆柱体结构或圆锥体结构。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列：先配制聚苯乙烯纳米球悬浮液体系，将所述聚苯乙烯纳米球悬浮液体系旋涂于一硅片表面，在硅片表面形成单层有序聚苯乙烯纳米球致密排列；

（2）制备单层有序聚苯乙烯纳米颗粒非致密排列：采用等离子体刻蚀法将形成所述致密排列的聚苯乙烯纳米球刻小，在硅片表面得到单层有序聚苯乙烯纳米颗粒非致密排列；

（3）制备金属纳米孔阵列掩模：在覆有单层有序聚苯乙烯纳米颗粒非致密排列的硅片上沉积金属膜，金属膜沉积厚度小于所述聚苯乙烯纳米颗粒粒径的1/2，然后用胶带去除所述聚苯乙烯纳米颗粒，在硅片表面得到金属纳米孔阵列掩模；

（4）制备纳米结构阵列模版：以所述金属纳米孔阵列掩模作为刻蚀掩模，利用硅片的腐蚀特性对硅片进行腐蚀，得到带有金属纳米孔阵列掩模和硅纳米坑的纳米结构阵列模版；

（5）制备金属膜纳米结构阵列掩模：在所述纳米结构阵列模版上直接淀积一层与步骤（3）所述金属膜不同材质的金属材料薄膜，位于所述金属纳米孔阵列掩模层上的金属材料薄膜为第一层金属材料薄膜，位于所述硅纳米坑内的金属材料薄膜为第二层金属材料薄膜，所述第二层金属材料薄膜的沉积厚度小于所述硅纳米坑的深度，淀积完成后湿法腐蚀所述金属纳米孔阵列掩模层，将第一层金属材料薄膜随之去除，将硅片表面重新暴露出来，同时保留所述硅纳米坑内的第二层金属材料薄膜，得到金属膜纳米结构阵列掩模；

（6）制备硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列：以金属膜纳米结构阵列掩模作为刻蚀掩模对硅片进行硅干法刻蚀，得到硅柱支撑的金属膜纳米结构阵列。

上述制备方法的步骤（3）中，优选的，所述金属膜所用金属为金、银、铜、铝或铬，所述金属膜的沉积方法为真空蒸镀法或磁控溅射法。