一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列及其制备方法，采用磁控溅射沉积银、钽复合薄膜，将清洗干净的单晶硅片真空下并沉积铬膜；然后控制电流强度，分别精确调控银、钽元素沉积速率，维持腔室反应压力，持续溅射沉积，钽元素封堵银在沉积过程中形成的间隙，在适当的银、钽元素沉积速率下形成银钽复合材料构建的有序多孔阵列。随着钽沉积速率的增加，薄膜表面孔状阵列会被钽元素大量封堵，进一步形成更为光滑的薄膜表面形貌。本发明专利技术所制备的银钽复合材料有序多孔阵列制备过程简单，比表面积大，便于大面积生长，成本低，薄膜表面无有机化合物污染，能广泛应用于SERS传感、金属催化、纳米探针、光电器件、太阳能电池，吸附材料等领域。

An ordered porous array of tantalum-silver composite and its preparation method

The invention provides an ordered porous array constructed by silver-tantalum composite material and its preparation method. Silver and tantalum composite films are deposited by magnetron sputtering, and chromium films are deposited on clean single crystal silicon wafers in vacuum. Then, the deposition rate of silver and tantalum elements is accurately controlled by controlling current intensity, the chamber reaction pressure is maintained, continuous sputtering deposition is maintained, and tantalum elements block silver in the deposition process. The ordered porous arrays of Ag-Ta composites were formed at appropriate deposition rates of Ag and Ta. With the increase of tantalum deposition rate, the porous arrays on the film surface will be blocked by a large amount of tantalum, which further forms a smoother surface morphology of the film. The silver-tantalum composite ordered porous array prepared by the invention has simple preparation process, large specific surface area, easy growth in large area, low cost, no organic compound pollution on the surface of the film, and can be widely used in SERS sensing, metal catalysis, nanoprobe, photoelectric devices, solar cells, adsorption materials and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列及其制备方法
本专利技术涉及先进纳米复合材料
，特别涉及一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列及其制备方法。
技术介绍
介孔材料由于具有均一的孔径，高比表面积的性质，在吸附、分离、催化、传感、能量转化等方面具有广泛的应用前景。介孔材料一般采用溶液相水热和溶剂挥发诱导自组装的方法来合成。传统的介孔材料一般使用模板剂(如十六烷基三甲基溴化铵，P123等)进行合成。采用这些常规的模板剂得到的介孔材料孔径一般不超过12nm。这些方法大多制备过程复杂，不便于大量制备，成本较高，另外，这些方法制备的介孔材料表面覆盖有大量有机化合物，严重限制吸附、分离、催化、传感等方面的应用。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列及其制备方法。通过精确调控磁控溅射中银、钽沉积速率实现银钽有序多孔阵列的制备。本专利技术所制备的有序多孔阵列具有独特的仿生结构，大的比表面积，且能负载大量活性药物及分子染料，因而在SERS传感、催化、诊断治疗以及吸附材料等领域具有广泛的应用前景。且制备过程简单、形貌的可控性高，且便于大规模批量制备。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列的制备方法，包括以下步骤：1)选用单晶硅片作为衬底，并进行镀膜前预处理；2)在预处理后的单晶硅衬底上，采用Ar气或氮气作为溅射气氛，在对衬底施加电压的条件下，采用射频对铬靶进行磁控溅射，在硅衬底上磁控溅射沉积一层厚度为100～2000nm的铬膜；3)Ar气或氮气作为溅射气氛，对沉积有铬膜的单晶硅衬底表面，在施加电压的条件下，采用射频或直流电源分别对银靶和钽靶进行磁控共溅射，通过控制电流强度分别调控银、钽元素沉积速率，在沉积有铬膜的硅衬底上形成银钽复合材料有序多孔阵列；4)镀膜完成后，原位进行X射线光电子能谱检测；5)进行微观结构和性能检测。优选的，所述单晶硅片衬底选自Si(100)、Si(111)、SiO2硅片(Si/SiO2，氧化层的厚度为300nm)或石英玻璃。优选的，所述步骤1)中，单晶硅片衬底预处理为依次经过去离子水、丙酮、无水乙醇各超声清洗10-20min。优选的，所述步骤2)中，铬靶纯度为99.99％；本底真空度小于等于4×10-4Pa。优选的，所述步骤2)中，对单晶硅衬底施加60V的电压，射频频率控制在250kHz。优选的，所述步骤3)中，银靶和钽靶纯度均为99.99％；本底真空度小于等于4×10-4Pa。优选的，所述步骤3)中，控制银靶和钽靶施加电压为60V，沉积时间15～60min；控制银靶电流强度为(1～5)A时，银元素沉积速率为(10～30)nm/min；控制钽靶电流强度为(0.2～1.8)A时，钽元素沉积速率为(1～5)nm/min。优选的，由银、钽元素构成分布均匀的多孔阵列，孔直径为50-300nm，孔深度为50-400nm。本专利技术进而给出了上述方法制备的银钽复合材料构建的有序多孔阵列，包括下述质量比的元素：银元素10～90％；钽元素2～70％；铬元素2～20％。本专利技术上述银钽复合材料构建的有序多孔阵列可用于在有机分子的表面增强拉曼散射应用。本专利技术的有益效果体现在：该方法基于三种技术的组合：(一)、真空条件下磁控溅射技术；(二)、银元素较快的沉积速率以及形成具有纳米间隙薄膜的特性；(三)、钽元素较慢的沉积速率并且能够封堵银元素沉积形成的间隙，从而进一步形成有序多孔阵列。本专利技术采用磁控溅射技术，通过调控银、钽元素沉积速率，构建出一种银钽复合材料有序多孔阵列，该有序多孔阵列作为一种结构独特的贵金属复合纳米材料，由于其特殊的分级结构、较大的比表面积、良好的催化及光学特性以及优异的表面清洁度，因而在SERS传感、催化、吸附、分离等领域有着广泛的应用。该方法不同于常规的溶液相水热和溶剂挥发诱导自组装的方法。该方法简单，原料易得，可以产业化大规模生产。研究表明，银钽复合材料构建的有序多孔阵列能够直接作为一种增强的SERS基底，产生的增强非常显著。其特点在于：本专利技术方法通过精确调控银、钽沉积速率实现银钽有序多孔阵列的制备。钽元素在沉积过程中会封堵银元素沉积形成的间隙，从而形成银钽多孔阵列，本专利技术具有生长速度快、便于大面积工业化生产、方法可靠且操作简单，同时制备的多孔阵列密度很高。本专利技术采用磁控溅射技术沉积的银钽复合材料有序多孔阵列比表面积大、具有良好的化学稳定性，能够作为性能良好的SERS基底。本专利技术制备的孔直径为50-300nm，孔深度为50-400nm，多孔状的形貌能够提供一种SERS的天线效应，极大的提高了基底对有机物分子的检测能力，同时能够反复地回收利用，以便降低SERS衬底的生产和应用成本。附图说明图1为银钽复合材料构建的有序多孔阵列的扫描电镜照片；图2为银钽复合材料构建的有序多孔阵列的元素分析图；图3为钽元素沉积较快情况下有序多孔阵列逐渐被封堵的扫描电镜照片；图4为钽元素大量沉积形成光滑薄膜表面形貌的扫描电镜照片；图5为钽复合材料构建的有序多孔阵列SERS基底对分子的拉曼检测。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明，但并不作为对本专利技术做任何限制的依据。本专利技术提供了一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列的制备方法，包括以下步骤：1)选用单晶硅片作为衬底，单晶硅片衬底选自Si(100)、Si(111)、SiO2片(Si/SiO2，氧化层的厚度为300nm)或石英玻璃。并进行镀膜前预处理；具体为使用去离子水、无水乙醇、丙酮对单晶硅片表面进行超声清洗10-20min。2)将清洁后的单晶硅衬底送入磁控溅射镀膜设备中进行铬打底层制备，具体为采用Ar气或氮气作为溅射气氛，在对衬底施加60V电压的条件下，采用射频对铬靶进行磁控溅射，射频频率控制在250kHz；在硅衬底上磁控溅射沉积一层厚度为100～2000nm的铬膜；其中，铬靶纯度为99.99％；本底真空度小于等于4×10-4Pa。3)铬打底层制备完毕，随后进行银、钽元素共溅射，具体为Ar气或氮气作为溅射气氛，对沉积有铬膜的单晶硅衬底表面，在施加电压60V的条件下，采用射频或直流电源分别对银靶和钽靶进行磁控共溅射，控制银靶和钽靶电流电流比为(1～5)：(0.2～5)A；沉积时间15～60min，通过控制电流强度分别调控银、钽元素沉积速率：控制银靶电流强度为(1～5)A时，银元素沉积速率为(10～30)nm/min；控制钽靶电流强度为(0.2～1.8)A时，钽元素沉积速率为(1～5)nm/min。在沉积有铬膜的硅衬底上形成银钽复合材料有序多孔阵列；由银、钽元素构成分布均匀的多孔阵列，孔直径为50-300nm，孔深度为50-400nm。其中，银靶和钽靶纯度均为99.99％；本底真空度小于等于4×10-4Pa。4)镀膜完成后，原位进行X射线光电子能谱检测。5)进行微观结构和性能检测。下面给出具体实施例来进一步说明本专利技术。实施例11)清洗：将Si(100)衬底浸入乙醇、丙酮溶液中10min，取出后放入去离子水中浸泡5分钟，然后取出，并用高纯氮气吹干，之后迅速放入磁控溅射镀膜设备中。2)铬打底层制备：将清洁的单晶硅表面进行铬打底层制备，采用Ar气作为溅射气氛，施加60V电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选用单晶硅片作为衬底，并进行镀膜前预处理；2)在预处理后的单晶硅衬底上，采用Ar气或氮气作为溅射气氛，在对衬底施加电压的条件下，采用射频对铬靶进行磁控溅射，在硅衬底上磁控溅射沉积一层厚度为100～2000nm的铬膜；3)Ar气或氮气作为溅射气氛，对沉积有铬膜的单晶硅衬底表面，在施加电压的条件下，采用射频或直流电源分别对银靶和钽靶进行磁控共溅射，通过控制电流强度分别调控银、钽元素沉积速率，在沉积有铬膜的硅衬底上形成银钽复合材料有序多孔阵列；4)镀膜完成后，原位进行X射线光电子能谱检测；5)进行微观结构和性能检测。

【技术特征摘要】
1.一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选用单晶硅片作为衬底，并进行镀膜前预处理；2)在预处理后的单晶硅衬底上，采用Ar气或氮气作为溅射气氛，在对衬底施加电压的条件下，采用射频对铬靶进行磁控溅射，在硅衬底上磁控溅射沉积一层厚度为100～2000nm的铬膜；3)Ar气或氮气作为溅射气氛，对沉积有铬膜的单晶硅衬底表面，在施加电压的条件下，采用射频或直流电源分别对银靶和钽靶进行磁控共溅射，通过控制电流强度分别调控银、钽元素沉积速率，在沉积有铬膜的硅衬底上形成银钽复合材料有序多孔阵列；4)镀膜完成后，原位进行X射线光电子能谱检测；5)进行微观结构和性能检测。2.根据权利要求1所述的一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列的制备方法，其特征在于，所述单晶硅片衬底选自Si(100)、Si(111)、SiO2片或石英玻璃。3.根据权利要求1所述的一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，单晶硅片衬底预处理为依次经过去离子水、丙酮、无水乙醇各超声清洗10-20min。4.根据权利要求1所述的一种银钽复合材料构建的有序多孔阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，铬靶纯度为99.99％；本底真空度小于等...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋忠孝，陈东圳，井津域，黄剑，杨波，钱旦，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61