[发明专利]一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，属于电化学超表面加工技术领域。所述的金属等离激元纳米光学天线是采用电化学自组装法制备的金属纳米颗粒，为实现基于表面等离激元共振的辐射或非辐射能量传递提供光学耦合平台。传统使用的金属等离激元纳米光学天线主要包括采用电子束光刻或纳米压印光刻等微纳加工技术在金属薄膜上制备的规则的图形化金属阵列，采用纳米PS球掩膜与金属蒸镀相结合制备的金属纳米光栅，采用多孔氧化铝（AAO）模板与金属蒸镀相结合制备的金属纳米颗粒阵列，以及采用金属蒸镀和高温快速热退火制备金属纳米颗粒等方法在半导体上制备，本发明利用电化学方法在半导体材料表面制备金属纳米颗粒，具有操作简单，条件可控，普适性好等优势。

技术领域

本发明属于电化学超表面加工技术领域,具体涉及一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法。

背景技术

基于人工构造的亚波长尺度金属纳米结构调控的超材料研究一直是纳米光子学领域的发展热点，深受国际研究学者们的广泛关注。超材料与光相互作用所激发的表面等离激元以其优异的光捕获和电磁场聚集特性为表面等离子体光子学研究开辟了广阔的应用领域。当特定波长入射辐射与人工构造的金属纳米结构表面的自由电子相互作用时，可激发自由电子的集体振荡，把光限制在金属纳米结构表面的纳米尺度内，并产生强烈的、高度局域的电磁场，即局域表面等离子体共振（LSPR）效应。因此，这种金属纳米结构被认为是高效的光捕获元件，对于在光催化、太阳能电池、生物传感、医学诊断、光电探测等领域提高传统器件结构的效率具有重要的应用价值。而这种金属纳米结构也因此被称为金属等离激元纳米天线。最近的研究表明，金属等离激元纳米天线也可以通过产生热电子而直接将收集到的光能转化为电能。在金属纳米结构的光吸收和LSPR激发后，等离激元发生衰变，将积累的能量转移到半导体材料导带的电子上。这个过程产生高能电子，也称为热电子，这些电子可以从金属等离子体纳米结构中逃逸出来，并被等离子体纳米结构与半导体接触形成的金属-半导体肖特基结收集起来。这一能量转换的新方案打破了光电探测器以往无法探测或捕获能量低于半导体带隙的光子的限制，为拓展非红外波段光电探测器的红外响应波段、延伸近红外探测器的中远红外探测范围或提高太阳能电池红外光电转换效率方面开辟了新途径。而这一切的核心是拥有人工构造的亚波长尺度金属纳米结构作为光学平台，即金属等离激元纳米光学天线。

现有制备金属等离激元纳米光学天线的方法主要包括以下几种：

1、采用精密微纳加工技术在金属薄膜上制备的规则的图形化金属阵列

首先在半导体材料表面旋涂PMMA光刻胶，采用电子束光刻或纳米压印光刻等方法在PMMA光刻胶上光刻纳米图形，其次采用反应离子刻蚀技术在半导体材料上刻蚀出纳米图形，然后采用金属镀膜工艺（包括电子束蒸镀、磁控溅射蒸镀或热蒸镀等）在半导体材料表面制备金属薄膜，形成规则的图形化金属阵列。

2、采用纳米PS球掩膜与金属蒸镀相结合制备的金属纳米光栅

首先将纳米聚苯乙烯球（PS球）溶液转移到半导体材料表面，形成紧密排列的单层PS球阵列，其次采用金属热蒸镀工艺向排列单层PS球阵列的半导体材料沉积金属薄膜，然后将PS球Lift-off，形成PS球直径大小的孔状金属纳米光栅。

3、采用多孔氧化铝（AAO）模板与金属蒸镀相结合制备的金属纳米颗粒阵列

以超薄多孔氧化铝（AAO）薄膜作为模板，通过金属薄膜蒸镀（如电子束蒸镀、磁控溅射蒸镀或热蒸镀等）在半导体材料上通过AAO薄膜制备有序或随机的纳米尺度的金属纳米颗粒阵列。

4、采用金属蒸镀和高温快速热退火制备的金属纳米颗粒

采用金属蒸镀工艺，通过蒸镀时间控制在半导体材料表面制备超薄金属层，并通过高温快速退火实现超薄金属热回流形成一系列随机分布的金属纳米颗粒。

发明内容

本发明提出了一种新型的金属等离激元纳米光学天线的制备方法，具有操作简单，条件可控，普适性好等优点。