一种Cr二维孔洞式纳米环阵列结构可控尺寸的方法技术

一种Cr二维孔洞式纳米环阵列结构可控尺寸的方法，属于材料制备技术领域，包括以下步骤：将基板置于氨水与过氧化氢的混合溶液中，进行亲水性处理；通过旋转涂布法在基板上制备周期性排列的高分子纳米球的单层模板；通过反应性离子蚀刻的方法控制纳米球尺寸，获得蚀刻后的单层模板；通过三轴卫星旋转支架技术及闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统对蚀刻后的单层模板进行Cr的溅射沉积；对沉积后的模板进行纳米球剥除处理。与现有技术相比，本发明专利技术采用三轴卫星旋转支架技术及闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统的关键工艺参数即可获得具有不同光学透射率尺寸的Cr二维孔洞式纳米阵列结构，制备工艺简单，可控性强，工艺过程具有很高的可重复性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料制备
，尤其涉及一种Cr 二维孔洞式纳米环阵列结构可控尺寸的方法。
技术介绍
目前，表面等离子体(Surface polarit1ns, SPs)在光学、物理、材料、生物、能源等领域有着广阔的应用前景，再加上近年来纳米科技的发展，更促进了这方面研究中新特性的发现。在可见光波段范围内，表面等离子波的波矢量一般是大于真空中光的波矢量，所以表面等离子体波就不能直接与真空中的光波形成耦合。要实现表面等离子体(SPs)的有效激发还需要特殊的装置，而可控形状及尺寸的金属纳米粒子的光学和电学性质与其表面的等离子共振(SPR )性质密切相关，可以作为一个研究的切入点。自1998年Ebbesen等人先后发现透过金属纳米孔结构及其阵列具有增强透射现象以来，表面等离子体(Surface polaritonss，SPs)及其应用成为近年来光学领域的研究热点的一，2003年，Barnes等人进一步阐明了入射光光子与纳米金属结构中的自由电子耦合匹配机制，突破了纳米级光学结构器件在衍射极限上的瓶颈，实现在纳米尺度上的聚光与导光，为实现对光的操纵调控提供了理论支撑。其中具有维纳尺度阵列结构的材料的制备是实现可操纵光传播的材料学基础。Ebbesen等人也研究比较了具有孔洞结构的Cr、Au和Ag薄膜的透射效率，发现由于入射光和微观纳米孔洞结构的表面等离子体共振效应的影响，Cr孔洞薄膜的透射光谱比Au和Ag薄膜中所观察到的更为显着广泛，且每单位面积的孔数量与其穿透强度大致呈线性变化。纳米金属粒子的表面等离子共振(SPR)特性主要与纳米粒子本身材料性质、形状、尺寸大小、粒子的间的距离、纳米结构间的阵列方式及周围环境的介电常数等因素有密切的关联。目前，科研工作者对实心纳米粒子及其阵列的制备及光学性能研究的比较多。其中的环状纳米结构由于其几何上的高度对称性和结构上的自封闭性而具有独特的物理和化学性能，以及在光学、电子学、光电子学、信息存储及生物探测等领域具有重要潜在应用价值而倍受人们的关注。到目前为止，微纳米环结构的制备方法主要有电化学刻蚀，X射线光刻方法，电子束光刻(EBL)及分子束外延(MBE)等。光刻技术虽然可以控制这些阵列的形态，其高成本和复杂的过程限制了其实用性。因此，许多研究人员试图开发一种替代方法能符合低成本，高通量，高分辨率光刻技术。纳米球刻蚀(Nanosphere lithography, NSL)具有低成本、制备简单、效率高的优点，十分具有吸引力，被用于制造有序的Cr纳米环阵列。因此，通过合适的方法制备尺寸精度精确可控的纳米金属阵列环状结构，并将其应用于发光器件中，是目前急需解决的一个问题。
技术实现思路
针对现有技术中的不足，本专利技术提供了一种Cr 二维孔洞式纳米环阵列结构可控尺寸的方法，该方法采用纳米球旋布技术和纳米球蚀刻技术(NSL)相结合的途径制备尺寸精度精确可控的阵列模板，然后依靠该模板利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统(closed field unbalanced magnetron sputtering 1n plating system, CFUBMIP)形成纳米环阵列结构。本专利技术通过以下技术方案实现:一种Cr 二维孔洞式纳米环阵列结构可控尺寸的方法，该方法包括以下步骤: (1)将基板置于氨水与过氧化氢的混合溶液中，超声进行亲水性处理； (2)通过旋转涂布法在基板上制备周期性排列的高分子纳米球的单层模板； (3)通过反应性离子蚀刻的方法控制纳米球尺寸，获得蚀刻后的单层模板； (4)通过三轴卫星旋转支架技术及闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统对步骤(3)中的蚀刻后的单层模板进行Cr的溅射沉积； (5)对步骤(4)中沉积后的模板进行纳米球剥除处理。本专利技术采用纳米球旋布技术和纳米球刻蚀相结合的途径制备阵列模板，通过对工艺条件的调整，能制备出尺寸精度精确可控的阵列模板。作为优选，所述步骤(I)中氨水与过氧化氢的混合溶液中氨水和过氧化氢的体积比为1:1o亲水性处理的目的在于在模板上创建一个亲水性的表面。作为优选，所述步骤(2)中旋转涂布机的转速为1200 rpm，转动时间4分钟。此条件下能获得直径大小差不多的纳米球阵列。作为优选，所述步骤(3)中反应性离子蚀刻分三次进行，其中第一次蚀刻功率为50w,时间为5分钟；第二次蚀刻功率为30w，时间为4分钟；第三次蚀刻功率为30w，时间为8分钟，所用的蚀刻气体均为氧气。分次刻蚀能保证刻蚀效果的均一性，使刻蚀后的纳米球大小差不多。作为优选，所述步骤(4)中Cr的溅射沉积过程中，模板和靶之间的距离为150 mm,溅射腔体的基础压力抽至1.5X10 5 torr，基板偏压为-70V，Cr靶电流1A，生长速率为0.13纳米/秒，三轴卫星旋转支架旋转速度为4 rpm。在Cr的溅射沉积过程中，Cr孔洞薄膜的透射性能很好，该步骤通过溅射及三轴卫星旋转支架技术将Cr金属沉积在聚苯乙烯纳米球之间的空隙中，获得具有金属Cr-聚苯乙烯纳米球包裹结构的单层模板，同时该工艺条件能保证Cr金属具有很好的沉积效果。作为优选，所述步骤(5)中采用湿蚀刻方法进行纳米球剥除，所述湿蚀刻分三次进行，其中第一次蚀刻液体为二氯甲烷，第二次蚀刻液体为丙酮，第三次蚀刻液体为乙醇。由此产生的孔洞式Cr纳米环阵列纳米结构即可得到具有一个有序的二维周期结构。作为优选，所述高分子纳米球所用材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一种。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果: 本专利技术实现了利用基材上通过旋转涂布机创建自组装的周期性排列的高分子纳米球单层模板，即可获得具有不同光学透射率尺寸的二维孔洞式纳米阵列结构； 设备简单，成本低廉； 制备工艺简单，可控性强，并且工艺过程具有很高的可重复性； 二维的纳米环阵列结构产率较高，所制备低维纳二维的纳米环阵列结构表面光洁，没有污染； 本专利技术的制备二维纳米环阵列结构的方法在工艺上具有一定的普适性，理论上在玻璃基材上利用不同尺寸的纳米球单层为模板，再利用反应性离子蚀刻技术进行纳米球的尺寸调控，即可获得具有不同尺寸大小的可控光学透射率的二维孔洞式纳米阵列结构。【附图说明】图1为本专利技术实施例一所制得的制造周期性Cr纳米环结构薄膜纳米球蚀刻(Nanosphere lithography, NSL)的不意图。其中(a)定向性溅射沉积使用CFUBMIP系统，(b)经剥除后形成Cr三角状纳米点的图解图案，(c)Cr三角状纳米点阵列形貌的平面SEM图，Cd)非定向性溅射沉积使用三个轴旋转的CFUBMIP系统，Ce)经剥除后形成Cr纳米环的图解图案，Cf) Cr纳米环阵列形貌的平面扫描电镜(SEM)图。图2为本专利技术的平面扫描电镜(SEM)图。其中，Ca)表示540 nm的聚苯乙稀微球胶体涂覆在玻璃基板上，(b)表示样品在第一次经由蚀刻(RIE)工艺对纳米球尺寸减薄(蚀刻功率为50W，时间为5min)，(c)蚀刻功率为30W，时间为5min ；(d)蚀刻功率为30W，时间为8min ；(e)蚀刻功率为30W，时间为12min ； (f)蚀刻功率为30W，时间为16min及(g)蚀刻功率为30W，时间为20min，插图显示了聚苯乙烯纳米球的各别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Cr二维孔洞式纳米环阵列结构可控尺寸的方法，该方法包括以下步骤：将基板置于氨水与过氧化氢的混合溶液中，超声进行亲水性处理；通过旋转涂布法在基板上制备周期性排列的高分子纳米球的单层模板；    （3）通过反应性离子蚀刻的方法控制纳米球尺寸，获得蚀刻后的单层模板；    （4）通过三轴卫星旋转支架技术及闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统对步骤（3）中的蚀刻后的单层模板进行Cr的溅射沉积；（5）对步骤（4）中沉积后的模板进行纳米球剥除处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴泓均，王怿宁，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33