一种硅纳米球的制备方法

1.本发明涉及纳米材料的制备方法领域，特别是一种硅纳米球的制备方法。


背景技术：

2.硅纳米球是高折射率的介电纳米粒子，具有优异的性能。硅纳米球可以在纳米尺度下与光很有强的相互作用，比如在可见光到近红外光谱范围内的电偶极共振和磁偶极共振、近场磁场增强、定向散射和fano共振。由于硅纳米球具有很强的光学响应，并且材料损耗低，是纳米天线等纳米结构的光电器件的有效材料。在另外一方面，硅纳米球对超表面以及超材料的研究方向中有很好的应用前景，特别是特征尺寸在100到300纳米之间的硅纳米球，是研究半导体超表面阵列器件非常优异的材料。
3.激光液相烧蚀法是一种新型的纳米材料制备方法，与激光气相烧蚀法不同，其利用脉冲激光辐照并烧蚀液相中的靶材的表面，脉冲激光与固体靶材在液体环境中相互作用。激光在液体环境中与物质作用时，可以形成温度和压力更高的条件，提供颗粒喷发过程中的快速冷却和局域限制环境，最后在液体中制备出纳米粒子。另外，通过改变脉冲激光的波长、脉宽、频率可以控制形成的纳米粒子的形态和尺寸。
4.现有技术有基于微流控技术的高效液相脉冲激光烧蚀法和nd：yag脉冲激光液相烧蚀法制备硅纳米颗粒，第一种现有方案的缺陷是需要在硅片上进行微流控装置的制作，制作工序复杂，而且反应的区域只限制在微流通道内部；第二种现有方案的缺陷是反应的区域固定，不可以移动，而且制备的硅纳米颗粒平均粒径小较小(4-12nm)。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种硅纳米球的制备方法，可以解决目前的硅纳米球的制备方法存在的制作工序复杂，反应的区域固定，制备的硅纳米颗粒平均粒径小较小的问题。
6.为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
7.一种硅纳米球的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤一：超声清洗硅片；
9.步骤二：将清洗好的硅片固定于装有去离子水的石英培养皿中，并将石英样品池固定在飞秒激光微纳加工系统的三维电动平移台上方；
10.步骤三：将飞秒脉冲激光聚焦到硅片表面；
11.步骤四：用运动控制软件设置三维电动平移台的移动参数；
12.步骤五：硅片通过程序控制移动，飞秒脉冲激光烧蚀硅片表面，得到淡黄色胶体状硅纳米水溶液。
13.优选地，使用的飞秒脉冲激光的激光放大级输出中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为1khz，加工功率为4mw。
14.优选地，步骤二中，石英培养皿中装有3ml去离子水。
15.优选地，步骤三中，飞秒脉冲激光经过焦距为15cm的透镜聚焦后照射硅片表面，聚
焦后的光斑直径约为40μm。
16.优选地，步骤四中，设置的加工参数：扫描速度为0.5mm/s，扫描间距为0.02mm，加工区域大小为8mm
×
9mm。
17.优选地，步骤五中，硅的浓度为2.4mg/ml。
18.优选地，飞秒脉冲激光通过半波片和格兰棱镜组合可以连续调节激光功率至4mw，功率过大或过小均不适合大尺寸硅纳米球的制备。
19.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
20.飞秒脉冲激光的峰值功率密度较高，聚焦在硅片表面的飞秒脉冲激光，烧蚀硅片表面，在硅和溶液交界面形成局部的高温高压环境，产生等离子体喷发，喷射出硅纳米颗粒，最终在水中冷却成为圆球型的硅纳米颗粒，经测量硅纳米球直径在100到300纳米之间。
21.1、制备的硅纳米粒子为理想的圆球形，而且尺寸较大，直径在100到300纳米之间；
22.2、制备出的硅纳米颗粒无表面修饰剂，制备过程中无需添加其他任何化学试剂，制备过程绿色环保；
23.3、制备过程无复杂工艺，操作简便，不需要对硅片进行微流控装置的制作；
24.4、该方法制备的出来的纳米颗粒非常的稳定，可长时间的保存；
25.5、该方法利用飞秒激光微纳加工系统，飞秒激光微纳加工系统设置有三维电动平移台，并且可以通过软件预设参数，实现了硅纳米颗粒溶液的自动化制备。
26.综上所述，本发明提供了一种硅纳米球的制备方法，具有无复杂工艺，操作简便，可以通过软件预设参数，实现了硅纳米颗粒溶液的自动化制备，制成的硅纳米球直径较大的特点。
附图说明
27.图1为本发明中步骤二和五的示意图；
28.图2为50倍物镜下的硅纳米颗粒暗场图像
29.图3为选取的硅纳米球sem图像(硅球直径203.125nm)
30.图4为实验测得的玻片上硅纳米球的暗场散射谱
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
…
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
33.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征；其次，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定,术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
36.一种硅纳米球的制备方法，包括以下步骤：
37.步骤一：超声清洗硅片；
38.步骤二：将清洗好的硅片固定于装有去离子水的石英培养皿中，并将石英样品池固定在飞秒激光微纳加工系统的三维电动平移台上方；
39.步骤三：将飞秒脉冲激光聚焦到硅片表面；
40.步骤四：用运动控制软件设置三维电动平移台的移动参数；
41.步骤五：硅片通过程序控制移动，飞秒脉冲激光烧蚀硅片表面，得到淡黄色胶体状硅纳米水溶液。
42.实施例一：
43.1、将硅片(10mm
×
12mm)和一个石英培养皿先后在去离子水中超声清洗20分钟，然后晾干。
44.2、把清洗好的硅片固定于装有3ml去离子水的石英培养皿中，并将石英样品池固定在飞秒激光微纳加工系统上。
45.3、将激光引到飞秒激光微纳加工系统的三维电动平移台上方。使用的激光放大级输出中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为1khz，用半波片和格兰棱镜组合可以连续调节激光功率至4mw，激光经过焦距为15cm的透镜聚焦后照射硅片表面，聚焦后的光斑直径约为40μm。
46.4、用运动控制软件设置三维电动平移台的移动参数为：扫描速度为0.5mm/s，扫描间距为0.02mm，加工区域大小为8mm
×
9mm。
47.5、运行运动控制软件后，使硅片进行按照程序控制的移动，飞秒脉冲激光便会自动地扫描硅片的表面，扫描完成后，在石英培养皿得到淡黄色胶体状硅纳米水溶液，经测量硅的浓度大约为2.4mg/ml，选取其中一个硅球进行检测，得到硅球直径203.125nm，如图4所示。
48.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
49.飞秒脉冲激光的峰值功率密度较高，将飞秒脉冲激光聚焦在硅片表面，烧蚀硅片表面，在硅和溶液交界面形成局部的高温高压环境，产生等离子体喷发，喷射出硅纳米颗粒，最终在水中冷却成为圆球型的硅纳米颗粒，经测量硅纳米球直径在100到300纳米之间。
50.1、制备的硅纳米粒子为理想的圆球形，而且尺寸较大，直径在100到300纳米之间；
51.2、制备出的硅纳米颗粒无表面修饰剂，制备过程中无需添加其他任何化学试剂，制备过程绿色环保；
52.3、制备过程无复杂工艺，操作简便，不需要对硅片进行微流控装置的制作；
53.4、该方法制备的出来的纳米颗粒非常的稳定，可长时间的保存；
54.5、该方法利用飞秒激光微纳加工系统，飞秒激光微纳加工系统设置有三维电动平移台，并且可以通过软件预设参数，实现了硅纳米颗粒溶液的自动化制备。
55.综上所述，本发明提供了一种硅纳米球的制备方法，具有无复杂工艺，操作简便，可以通过软件预设参数，实现了硅纳米颗粒溶液的自动化制备，制成的硅纳米球直径较大的特点。