[发明专利]一种规则金字塔锥及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种规则金字塔锥及其制备方法与应用。本发明通过简单的胶体球技术、界面处理技术和湿法刻蚀技术制备了排布规则、分布均匀、周期尺寸可调的金字塔锥阵列基底。本发明还通过简单的物理或化学界面组装技术，在规则的锥表面制备出稳定性强、重复性好、结构尺寸可调、形貌多样的单一或复合功能材料，如金属纳米碗、半导体空心纳米针、多孔有机框架等，最终构成复合功能基底。制备的复合功能基底具有大的比表面积和规则的微纳阵列，可以应用到痕量物质检测、能源等领域。

技术领域

本发明涉及一种规则金字塔锥及其制备方法与应用，属于纳米材料和纳米化学技术领域。

背景技术

近年来，各种各样的周期性的纳米结构被制造出来，由于这些材料独特的光学、电学、力学、催化和磁学等特性使其广泛应用于不同领域。其中，贵金属纳米阵列结构同时具有周期性和纳米结构的特性，并且由于贵金属本身的表面等离子体共振(SPR)特性，使其具有广阔的应用前景。以自组装单层PS小球为模板，是制备周期性纳米结构最有效的方法之一，利用该方法已经成功制备出了纳米碗状阵列结构，蜂窝状结构，环状阵列结构及其它一些纳米结构。在这些纳米结构中，银碗阵列结构由于在纳米粒子的选择、生物医药、纳米微流体器件、磁性增强、电磁场增强和电化学催化等方面具有非常广阔的应用前景而备受人们的关注。银纳米碗阵列具有可控的周期性的碗状结构和良好的聚焦电磁场作用，极大地提高了其在表面增强拉曼散射(SERS)中的应用，引起了人们对有序多孔金属材料的极大兴趣。然而，由于银碗阵列简单的2D结构限制了其对光的有效吸收利用，进而限制了其在SERS方面的应用。

相比于目前应用广泛的二维等离子体纳米结构，3D等离子体(贵金属)纳米结构具有更强的表面增强拉曼散射(SERS)性能。特别是3D的硅金字塔阵列，其具有较强陷光能力，对增强拉慢信号具有较大的贡献。因此，为了进一步提高SERS基底性能和稳定性，需要规则金字塔硅锥阵列。近年来，有序金字塔硅锥阵列的构筑一般都采用光刻掩模法、纳米压印掩膜法、气相掩模法、反应离子掩模法等。这些方法虽然能获得较强、均匀、重复性好的信号，但成本较高、设备复杂、且耗时较长，限制了其广泛应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明通过简单的胶体球技术、湿法刻蚀技术和界面处理技术制备了周期有序、分布均匀的仿生硅锥阵列基底。

本发明的第一个目的是提供一种规则金字塔锥的制备方法，包括如下步骤：

(1)单层球组装：将胶体小球在气液界面进行自组装，得到紧密排列的单层球；

(2)单层球与硅片基底间形成氢键作用力：将步骤(1)得到的单层球转移到硅片表面，采用含有O₂的等离子气体或含有O₂的反应离子气体或紫外臭氧对胶体小球和硅片进行处理，然后用水冲洗胶体小球和硅片，在胶体小球与硅片接触部位形成氢键作用力；

(3)湿法刻蚀：将步骤(2)处理后的胶体小球和硅片置于碱性溶液中刻蚀1～50min，得到所述的规则金字塔锥。

进一步地，在步骤(1)中，胶体小球的材料为二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、聚乳酸、壳聚糖、明胶、白蛋白、淀粉或上述物质的衍生物中的一种。

进一步地，在步骤(3)中，所述的碱性溶液为无机碱、有机碱或其混合。

进一步地，所述的刻蚀温度为20～99℃。

进一步地，所述的方法还包括对步骤(3)制备得到的规则金字塔锥进行翻制，或在所述的规则金字塔锥表面进行涂层，或根据所述的规则金字塔锥压印，制备得到新的规则锥。

本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备得到的规则锥。