一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法

1.本发明为大规模制备金属纳米结构，具体涉及采用多孔阳极氧化铝薄膜(anodic aluminum oxide,aao)作为掩膜，通过溅射剥离(lift-off)工艺制备金属纳米结构，属于新型纳米加工领域，可应用于生物化学传感以及光电探测器等器件中。


背景技术：

2.金属纳米结构具有其特殊的光学效应，当入射光子频率与金属的纳米粒子传到电子的震荡频率相同时，会对光有一个强烈的吸收宏观表现为共振峰的出现。即为局域表面等离子体共振。由于具有这种特性，一些贵金属如金、银等纳米材料在生物医学、传感探测等方面具有重要的应用价值。金属纳米颗粒的周期、尺寸以及厚度是局域表面等离子体效应的重要影响因素。其中更小的结构间距以及更大的单位内的颗粒密度明显的增强其电磁场，可以增强光吸收以及对于周围环境折射率的敏感度。目前制备金属纳米颗粒的方法主要有：电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印等方法，但是这些技术成本高、对于设备的工艺要求也比较高。因此我们发明了一种以aao膜作为掩膜生长制备纳米颗粒的方法，并且为了改善制备的纳米结构的质量，在转移aao膜之前先在衬底表面旋涂一层pmma作为粘附层能够让aao膜与衬底贴合的更加紧密，这样生长出来的建属纳米结构质量会更高、周期性更好。


技术实现要素：

3.本发明的技术目的在于提供了一种能够改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒的方法。该方法使用aao膜作为掩膜，并且在转移aao膜至衬底之前先旋涂一层pmma可以有效改善aao膜与vcsel衬底之间的紧密程度。生长的纳米颗粒质量更高，周期性更好，可方便快捷进行二维集成。
4.本发明采用的工艺特征在于：一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，首先在vcsel的出光端面旋涂一层pmma并烘干，然后用刚性衬底将浸泡在丙酮中去除支撑层的aao膜转移至清水中，再用同样的刚性衬底将其转移至涂有pmma的激光器端面并等待晾干。用rie工艺将aao通道处的pmma刻蚀掉，然后放入溅射的设备中溅射所需要的金属后去除aao膜即可。
5.进一步地，旋涂上pmma后需要烘干然后用rie将薄膜孔洞中的pmma刻蚀干净。
6.进一步地，刚性衬底可以为亲水处理的硅片或者石英片。
7.进一步地，生长的金属的厚度要小于aao膜孔的深度。
8.与现有技术相比较，本发明的创新之处在于利用aao膜作为掩膜，在激光器端面集成金属纳米颗粒的方法。与其他制备纳米结构的方法相比具有低成本、速度快、便于大规模集成等优点。
附图说明
9.图1：在激光器端面旋涂一层pmma示意图。
10.图2：将aao膜转移至端面后的俯视图。
11.图3：rie刻蚀pmma后的示意图。
12.图4：溅射金属层并剥离制备完成金属纳米颗粒示意图。
13.图中：1为旋涂在激光器端面的pmma，2为制备好的激光器，3为转移的aao薄膜，4为溅射剥离后制备的金属纳米颗粒。
具体实施方式
14.以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
15.如图1-4所示，在垂直腔面发射激光器上利用剥离的方法制备金属纳米结构的工艺方法，(1)在制备好的激光器端面旋涂一层pmma作为粘附层；(2)在旋涂好pmma的端面转移一层aao膜作为掩膜；(3)磁控溅射方法在aao膜上生长一层金属；(4)剥离掉aao膜后进行快速退火制备出周期性排列均匀的金属纳米结构；由此，制成低成本集成金属纳米结构vcsel生化传感芯片。
16.在激光器端面旋涂一层pmma作为粘附层可以使aao膜与衬底贴合的更紧密，制备的纳米结构质量更高。
17.使用双通的具有周期性结构的aao溅射金属剥离后得到规则的周期性纳米结构。
18.在aao膜上生长一层金属并将aao膜剥离后通过快速退火的方式可以使金属纳米结构周期性更好，形状更规则。
19.生长金属纳米结构的衬底可以有很多种类，可以是硅基衬底、蓝宝石衬底、以及石英片。
20.生长金属的工艺可以是磁控溅射的方法或者电子束蒸发。
21.利用本发明提出的能够改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒的方法，具体实施方式如下：
22.s1先用甩胶机在激光器的端面旋涂一层pmma，厚度大概为300nm,然后80℃烘干10min。
23.s2剪取合适面积的aao膜将其在丙酮溶液中浸泡5-10min，将支撑aao膜的pmma以及一些杂质溶解掉。
24.s3将用来转移aao膜的硅片放在硫酸双氧水溶液中加热至沸腾来进行亲水化处理。
25.s4用硅片将处理好的aao膜转移至清水中，以便清洗残留的杂质和支撑层碎片。
26.s5在清水中将aao膜转移贴合至激光器的表面，并且晾至全干。
27.s6待aao膜在激光器表面完全晾干后，在150℃加热15s，使得膜与激光器的端面贴合的更加紧密，提高后续溅射的纳米结构的质量。
28.s7将贴合上aao膜的激光器放在rie设备中，并把aao膜孔洞中需要溅射生长金属纳米结构部分的多余pmma胶刻掉。
29.s8再将处理好的激光器置于溅射的设备中溅射金属。
30.s9金属溅射完成后先后使用丙酮与无水乙醇清洗去除掉aao膜，只在激光器表面
留下需要集成制备的金属纳米结构。
31.实施例
32.第一步：在需要制备金属纳米结构的衬底上旋涂一层pmma。并将pmma烘干待用。第二步：准备合适尺寸的aao膜将其在丙酮溶液中浸泡3min—5min直至其表面的pmma溶解，用亲水处理后的硅片将其转移至清水中，再将其转移至旋涂了pmma的衬底上并烘干。第三步：利用磁控溅射的方法将金属均匀溅射到aao膜的孔洞中，溅射完成后将aao膜清洗即可制得周期性的金属纳米结构。该方法制备工艺简单、成本较低，适合制备大面积的周期性金属纳米结构。


技术特征：
1.一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：首先在vcsel的出光端面旋涂一层pmma并烘干，然后用刚性衬底将浸泡在丙酮中去除支撑层的aao膜转移至清水中，再用同样的刚性衬底将其转移至涂有pmma的激光器端面并等待晾干。用rie工艺将aao通道处的pmma刻蚀掉，然后放入溅射的设备中溅射所需要的金属后去除aao膜。2.根据权利要求1所述的一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：旋涂上pmma后需要烘干然后用rie将薄膜孔洞中的pmma刻蚀干净。3.根据权利要求1所述的一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：刚性衬底为亲水处理的硅片或者石英片。4.根据权利要求1所述的一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：生长的金属的厚度要小于aao膜孔的深度。5.根据权利要求1所述的一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：在制备好的激光器端面旋涂一层pmma作为粘附层；在旋涂好pmma的端面转移一层aao膜作为掩膜；磁控溅射方法在aao膜上生长一层金属；剥离掉aao膜后进行快速退火制备出周期性排列均匀的金属纳米结构；制成低成本集成金属纳米结构vcsel生化传感芯片。6.根据权利要求5所述的一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：在激光器端面旋涂一层pmma作为粘附层使aao膜与衬底贴合更紧密，制备的纳米结构质量更高。7.根据权利要求5所述的一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：使用双通的具有周期性结构的aao溅射金属剥离后得到规则的周期性纳米结构。8.根据权利要求1或5所述的一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：在aao膜上生长一层金属并将aao膜剥离后通过快速退火的方式使金属纳米结构周期性更好，形状更规则。9.根据权利要求1或5所述的一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：生长金属纳米结构的衬底有很多种类，可以是硅基衬底、蓝宝石衬底、以及石英片。10.根据权利要求1或5所述的一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，其特征在于：生长金属的工艺是磁控溅射的方法或者电子束蒸发。

技术总结
本发明公开了一种改善低成本可集成且大规模制备金属纳米颗粒方法，第一步：在需要制备金属纳米结构的衬底上旋涂一层PMMA。并将PMMA烘干待用。第二步：准备合适尺寸的AAO膜将其在丙酮溶液中浸泡3min—5min直至其表面的PMMA溶解，用亲水处理后的硅片将其转移至清水中，再将其转移至旋涂了PMMA的衬底上并烘干。第三步：利用磁控溅射的方法将金属均匀溅射到AAO膜的孔洞中，溅射完成后将AAO膜清洗即可制得周期性的金属纳米结构。该方法制备工艺简单、成本较低，适合制备大面积的周期性金属纳米结构。米结构。米结构。


技术研发人员：解意洋 曹芳 赵旭鹏 胡良辰 徐晨
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2022.02.24
技术公布日：2022/6/10