[发明专利]具有拉曼增强性质的一维、二维或三维纳米间隙阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种具有拉曼增强性质的一维、二维或三维纳米间隙阵列及其制备方法。

背景技术

当光照射在具有纳米级间隙的金属结构上时，间隙两侧的金属表面会产生表面等离子体，与光产生强烈的共振，进而引起间隙中电磁场的急剧增强及其对光的限域作用^[1]。这一现象在小于10nm的金属间隙结构中尤为明显，因此在非线性光学、光捕获和表面增强光谱学等领域有着极大的应用潜力。但是目前还很缺乏可以简单、低能耗、可控地制备尺寸均匀的小于10nm间隙的方法，缺乏相关间隙尺寸依赖的实验和理论研究。

随着纳米光学和纳米电子学的急速发展，具有高集成性的光/电学器件成为研究者追逐的热点^[2]。制备二维大面积图案化的纳米间隙阵列可以有效提高器件的产率和集成度，使器件更有适应于现代平面技术的发展。特别地，如果能突破传统的平面内制备纳米间隙的限制，制备多层三维立体纳米间隙阵列，器件的集成性和等离子体共振性质将会得到突破性的提高，这一研究方向是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种步骤简单、低耗、可控地制备具有拉曼增强性质的一维至三维纳米间隙阵列及其方法。

本方法涉及到纳米切割技术、物理气相沉积技术以及光刻技术。整个过程操作简便，过程低耗清洁，可控性高。通过控制沉积间隔层的厚度，可以制备一系列不同尺寸的一维纳米间隙。结合光刻技术，可以制备具有高集成性的二维纳米间隙阵列；在此基础上，叠加两层或者多层二维纳米间隙阵列可以得到新颖的三维立体化的纳米间隙阵列，具有更高的集成度和更强的等离子体共振性质，可以更好地运用到实际应用中。

本发明所述的一种具有拉曼增强性质的一维至三维纳米间隙阵列的制备方法，其步骤如下：

1)以平整的环氧树脂片为基底，沿垂直于基底的方向、在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下向基底表面沉积金/间隔层/金三层膜，沉积速度为两层金膜的沉积厚度均为50～150nm，间隔层的沉积厚度为2～20nm；将沉积后的基底切割成条状，条宽0.5～3mm，然后将条状基底包埋在环氧树脂预聚体中，50～80℃条件下固化0.5～2小时；

2)沿垂直于条状的方向进行切片，切割速度为0.6～1.2mm/s，得到的树脂片的厚度为80～200nm，宽度为0.5～3mm；然后用镀有40～200nm金膜的基底进行收集，使得到的树脂片平铺在金膜上，从而使金/间隔层/金三层膜垂直于镀有金膜的基底；

3)将步骤2)制得的样品置于1～3mol/L的盐酸中浸泡2～3小时，除掉间隔层；再将样品置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压5～10mTorr、刻蚀温度10～20℃、氧气流速10～50sccm、刻蚀功率200～300W的条件下刻蚀100～200秒，以完全除去环氧树脂，从而在镀有金膜的基底上得到间隔2～20nm的一维线型金纳米间隙；

4)将步骤1)中的平整的环氧树脂基底换为条带结构的环氧树脂基底，条带间距为5～100μm，条带宽度为5～100μm，条带深度为2～10μm；沉积方向与条带结构侧面的夹角为30～50°，在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下进行沉积，使得环氧树脂基底上每个条带结构同一方向的侧面和上表面被蒸镀上金/间隔层/金三层膜；沉积速度为两层金膜的沉积厚度均为50～150nm，间隔层的沉积厚度为2～20nm；

5)将步骤4)中的样品包埋在环氧树脂预聚体中，50～80℃条件下固化0.5～2小时，沿平行于条带基底的方向进行切片，切割速度为0.6～1.2mm/s，得到的树脂片的厚度为80～200nm；弃去条带上表面带有金/间隔层/金三层膜的树脂片，收集对条带侧面金属膜进行切割的树脂片平铺在镀有40～200nm金膜的基底上，采用与步骤2)相同的方法去除间隔层和环氧树脂，得到二维条带型金纳米间隙阵列；

6)在二维条带型纳米间隙阵列的基础上，用精密捞取环(PerfectLoop)将切割后的另一片含有二维条带型纳米间隙阵列的树脂片有角度地叠放在第一片树脂片上方，亦可以按此方法叠加第三片、第四片等，采用与步骤2)相同的方法去除间隔层和环氧树脂得到三维堆垛型纳米间隙阵列。