一种形貌可控的纳米结构阵列制备方法与流程

1.本发明涉及一种周期纳米材料制备技术领域，尤其是涉及一种形貌可控的纳米结构阵列制备方法。


背景技术：

2.利用离子束刻蚀、电子束曝光以及镀膜等技术可以实现纳米级精度的加工，使得纳米结构尺寸均一可控，得到大面积有序的纳米结构。
3.离子束刻蚀是利用辉光放电原理将氩原子电离成氩离子，然后由栅极将离子呈束状引出并加速，具有一定能量的离子束进入工作室，射向固体表面轰击固体表面原子，使材料原子发生溅射，属于纯物理刻蚀，主要用于各种金属以及氧化物等复杂体系的刻蚀。
4.纳米材料的性能取决于其尺寸、结构、组成及排列方式等，而结构又是影响性能的主要因素，若能够实现结构的多样化，即对其进行纳米级的形貌控制，当赋予不同材料时会出现不同的优异性能，即具有广泛的应用。但是由于纳米材料的尺寸较小，目前很难做到对其进行精确的形貌控制，在材料的性能方面会有较大的限制。因此使用不同的制备方法开发新型可控纳米结构是具有非常重要的意义的。


技术实现要素：

5.本发明是为了提供一种工艺步骤简单，可操作性强，过程稳定可控的纳米结构阵列的制备方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明的一种形貌可控的纳米结构阵列制备方法，包括以下步骤：(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列。
7.(2)利用磁控溅射技术在单层聚苯乙烯微球阵列表面溅射金属膜，得到金属纳米球周期阵列。
8.(3)利用离子束刻蚀技术对所得到的金属纳米球阵列进行刻蚀，得到形貌可控纳米结构阵列。本发明主要通过改变刻蚀的时间以及离子束与样品所成角度来形成可控的结构；本发明以有序密排的聚苯乙烯纳米球阵列为基础，利用磁控溅射镀上金属膜后再利用离子束对金属膜进行刻蚀，当离子束与样品所成一定的角度进行轰击时，由于相邻的纳米球之间会有一定的遮挡效应，而未被遮挡金属膜就会以一定的程度被刻蚀掉，当电压、电流、束流等参数固定之后，样品被刻蚀的程度由时间所决定，形貌由离子束与样品所成的角度所控制，最终可得到多种形貌的半核壳纳米结构阵列。
9.作为优选，步骤(1)中，自组装法具体步骤为：将聚苯乙烯小球和无水乙醇混合、均匀分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用。
10.作为优选，聚苯乙烯小球直径为500nm。
11.作为优选，所述聚苯乙烯小球和无水乙醇混合按体积比1:1混合。
12.作为优选，分散采用超声分散。
13.作为优选，清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸10～20min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声10～15min。
14.作为优选，步骤(2)中，金属膜厚度为10～100nm。
15.作为优选，步骤，金属膜为au膜、ag膜、cu膜、pt膜、ni膜或al膜。
16.作为优选，所述金属膜为ag膜。
17.作为优选，所述磁控溅射的工艺参数为：溅射功率为10w，开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入25sccm的ar，溅射时背景气压为0.6pa，溅射时间为1～5min。
18.作为优选，步骤(3)中，离子束刻蚀的工艺参数为：开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入10sccm的ar，刻蚀时背景气压为5
×
10-2
pa，放电电压为50～70v，灯丝电流为3～8a，加速电压为100～300v，束流为10～50ma，离子束与样品所成角度为10
°
～90
°
，刻蚀时间为10min～120min。
19.因此，本发明具有如下有益效果：本发明采用了较为简单的离子束刻蚀技术，利用相邻球的阴影遮挡效应，可对纳米球阵列进行选择性的刻蚀，即形成具有形貌可控的纳米阵列，工艺步骤简单，可操作性强，过程稳定可控。
附图说明
20.图1是实施例1得到的纳米结构阵列扫描电子显微镜图。
21.图2是实施例2得到的纳米结构阵列扫描电子显微镜图。
22.图3是实施例3得到的纳米结构阵列扫描电子显微镜图。
23.图4是实施例4得到的纳米结构阵列扫描电子显微镜图。
24.图5是实施例5得到的纳米结构阵列扫描电子显微镜图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
26.实施例1(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列，自组装法具体步骤为：将直径为500nm的聚苯乙烯小球和无水乙醇按体积比1:1混合、超声分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用；清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸10min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声15min。
27.(2)利用磁控溅射技术在单层聚苯乙烯微球阵列表面溅射厚度为60nm的ag膜，得到金属纳米球周期阵列，磁控溅射的工艺参数为：溅射功率为10w，开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入25sccm的ar，溅射时背景气压为0.6pa，溅射时间为2min。
28.(3)利用离子束刻蚀技术对所得到的金属纳米球阵列进行刻蚀，得到形貌可控纳米结构阵列，离子束刻蚀的工艺参数为：开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入10sccm的ar，刻蚀时背景气压为5
×
10-2
pa，放电电压为70v，灯丝电流为5a，加速电压为300v，束流为50ma，离子束与样品所成角度为30
°
，刻蚀时间为30min。
29.得到的形貌可控纳米结构阵列扫描电子显微镜图如图1所示。
30.实施例2(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列，自组装法具体步骤为：将直径为500nm的聚苯乙烯小球和无水乙醇按体积比1:1混合、超声分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用；清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸10min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声15min。
31.(2)利用磁控溅射技术在单层聚苯乙烯微球阵列表面溅射厚度为60nm的ag膜，得到金属纳米球周期阵列，磁控溅射的工艺参数为：溅射功率为10w，开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入25sccm的ar，溅射时背景气压为0.6pa，溅射时间为2min。
32.(3)利用离子束刻蚀技术对所得到的金属纳米球阵列进行刻蚀，得到形貌可控纳米结构阵列，离子束刻蚀的工艺参数为：开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入10sccm的ar，刻蚀时背景气压为5
×
10-2
pa，放电电压为50～70v，灯丝电流为5a，加速电压为300v，束流为50ma，离子束与样品所成角度为45
°
，刻蚀时间为30min。
33.得到的形貌可控纳米结构阵列扫描电子显微镜图如图2所示。
34.实施例3(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列，自组装法具体步骤为：将直径为500nm的聚苯乙烯小球和无水乙醇按体积比1:1混合、超声分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用；清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸15min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声12min。
35.(2)利用磁控溅射技术在单层聚苯乙烯微球阵列表面溅射厚度为60nm的ag膜，得到金属纳米球周期阵列，磁控溅射的工艺参数为：溅射功率为10w，开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入25sccm的ar，溅射时背景气压为0.6pa，溅射时间为2min。
36.(3)利用离子束刻蚀技术对所得到的金属纳米球阵列进行刻蚀，得到形貌可控纳米结构阵列，离子束刻蚀的工艺参数为：开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入10sccm的ar，刻蚀时背景气压为5
×
10-2
pa，放电电压为70v，灯丝电流为5a，加速电压为300v，束流为50ma，离子束与样品所成角度为60
°
，刻蚀时间为30min。
37.得到的形貌可控纳米结构阵列扫描电子显微镜图如图3所示。
38.实施例4(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列，自组装法具体步骤为：将直径为500nm的聚苯乙烯小球和无水乙醇按体积比1:1混合、超声分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用；清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸10min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声15min。
39.(2)利用磁控溅射技术在单层聚苯乙烯微球阵列表面溅射厚度为60nm的ag膜，得到金属纳米球周期阵列，磁控溅射的工艺参数为：溅射功率为10w，开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入25sccm的ar，溅射时背景气压为0.6pa，溅射时间为2min。
40.(3)利用离子束刻蚀技术对所得到的金属纳米球阵列进行刻蚀，得到形貌可控纳米结构阵列，离子束刻蚀的工艺参数为：开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入10sccm的ar，刻蚀时背景气压为5
×
10-2
pa，放电电压为70v，灯丝电流为5a，加速电压为300v，束流为50ma，离子束与样品所成角度为45
°
，刻蚀时间为60min。
41.得到的形貌可控纳米结构阵列扫描电子显微镜图如图4所示。
42.实施例5(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列，自组装法具体步骤为：将直径为500nm的聚苯乙烯小球和无水乙醇按体积比1:1混合、超声分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用；清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸20min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声10min。
43.(2)利用磁控溅射技术在单层聚苯乙烯微球阵列表面溅射厚度为90nm的ag膜，得到金属纳米球周期阵列，磁控溅射的工艺参数为：溅射功率为10w，开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入25sccm的ar，溅射时背景气压为0.6pa，溅射时间为3min。
44.(3)利用离子束刻蚀技术对所得到的金属纳米球阵列进行刻蚀，得到形貌可控纳米结构阵列，离子束刻蚀的工艺参数为：开始前背景气压为4.5
×
10-4
pa，通入10sccm的ar，刻蚀时背景气压为5
×
10-2
pa，放电电压为70v，灯丝电流为5a，加速电压为300v，束流为
50ma，离子束与样品所成角度为45
°
，刻蚀时间为60min。
45.得到的形貌可控纳米结构阵列扫描电子显微镜图如图5所示。
46.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。