[发明专利]一种调节二维金属纳米粒子阵列的间距、密度和光学性质的方法

说明书

一种调节二维金属纳米粒子阵列的间距、密度和光学性质的方法，属于功能材料技术领域。通过气体等离子体对电中性的聚合物薄膜基底表面进行处理，使其表面产生带电荷的化学基团，在不同温度下热退火处理，然后利用层层自组装技术，使其表面吸附携带有正电荷的聚电解质，此时基底上便具有不同密度的正电荷，最后将基底浸泡在预先制备得到的带有相反电荷的金属纳米粒子溶液中足够长时间，取出冲洗、吹干后便可得到不同粒子间距、密度和光学性质的二维金属纳米粒子阵列。此外，将具有温度梯度的热源应用在热退火这一步中，最终可以得到具有大面积梯度的样品，其纳米粒子的间距、密度，以及光谱中的吸收峰的强度和峰位在整个样品上呈现梯度变化。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种通过调控聚合物薄膜基底的表面电荷密度，调节二维金属纳米粒子(纳米球、纳米棒、纳米三角或纳米立方体等)阵列的间距、密度和光学性质的方法。

背景技术

贵金属纳米结构具有特殊的表面等离子共振性质，其表现为特定波长的光与金属表面的振荡的自由电子发生共振，从而在金属结构周围产生增强的电磁场。其中，二维纳米粒子阵列是花样繁多的贵金属纳米结构中研究和应用最多的一种。其对光特殊的散射和吸收性质使得它在传感、光电器件以及亚波长尺寸的光学组件等领域拥有十分广泛的应用。而在这些应用当中，往往需要对金属纳米粒子阵列的光学性质进行调节，以实现器件的最优性能。

二维金属纳米粒子阵列的光学性质受制于诸多因素，其中纳米粒子之间的距离由于能够影响粒子之间的表面等离子共振的耦合，因而对其光学性质的调节起着至关重要的作用。在过去的研究中，研究人员已经发展了多种方法用以调节二维金属纳米粒子阵列的粒子间距或者密度。这些方法大体可以分为“自上而下”和“自下而上”两种。“自上而下”的直写式技术，例如电子束刻蚀等，可以制备得到形貌和间距规整的阵列。但这些技术一方面成本昂贵，另一方面效率低下，不利于样品的大面积制备与实际应用。而与“自上而下”形成对比的“自下而上”的胶体自组装技术，在制备大面积的，形貌和间距可控的纳米粒子阵列方面优势尽显。这种技术可以分为模板诱导法和界面组装法。其中界面组装法无需模板，因此相比模板诱导法更具优势。一种典型的手段是通过纳米粒子表面的包覆层，通常是聚合物层，来控制组装之后的粒子间距。但是这种方法一方面需要复杂的蚀刻或者替换步骤，所制得的样品才能在实际中得以应用。另一方面，这种核壳型纳米粒子的合成通常也是比较复杂的。因此，急需发展一种简单且有效的用以制备大面积间距、密度及光学性质可控的二维金属纳米粒子阵列的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法简单、成本低廉、可大面积制备间距、密度和光学性质可调的二维金属纳米粒子阵列的方法。

本发明利用静电吸附作用，通过调节基底上的电荷密度，从而调控吸附在基底上金属纳米粒子的间距、密度以及光学性质。我们利用聚合物链运动的温度依赖特性来调节聚合物薄膜基底的表面电荷密度。如图1所示，通过气体等离子体对电中性的聚合物薄膜基底表面进行处理，使其表面产生带电荷的化学基团后，在不同温度下热退火处理一定时间，然后利用层层自组装技术，使其表面吸附携带有正电荷的聚电解质，此时基底上便具有不同密度的正电荷，最后将基底浸泡在预先制备得到的带有相反电荷的金属纳米粒子溶液中足够长时间，取出冲洗、吹干后便可得到不同粒子间距、密度和光学性质的二维金属纳米粒子阵列。此外，将具有温度梯度的热源应用在热退火这一步中，最终我们可以得到具有大面积梯度的样品，其纳米粒子的间距、密度，以及光谱中的吸收峰的强度和峰位在整个样品上呈现梯度变化。这样的梯度结构可以将不同的参数同时集成在同一个基片上，因而它可以作为高通量检测或者筛选试验的非常理想的平台。

本发明所述的一种调节二维金属纳米粒子阵列的间距、密度和光学性质的方法，其步骤如下：