金刚石纳米线阵列、其制备方法及用于电化学分析的电极技术

本发明专利技术公开了一种金刚石纳米线阵列、制备方法及用于电化学分析的电极。该制备方法包括：在金刚石薄膜的表面上设置掩模层，该掩模层的图形构成为覆盖待形成的各个金刚石纳米线的顶端，并暴露出相邻的金刚石纳米线之间的待刻蚀部分；采用ICP-RIE刻蚀工艺对具有掩模层的金刚石薄膜刻蚀，以去除待刻蚀部分，在金刚石薄膜中形成柱状的各个金刚石纳米线；去除位于各个金刚石纳米线的顶端的掩膜层的材料。本发明专利技术采用ICP-RIE刻蚀，由于增加了具有高的等离子体密度及刻蚀效率的电感耦合元件，可以分别控制等离子体的产生和加速，实现了刻蚀过程和形貌可控，进而得到了侧壁陡直性更好且深宽比更高的金刚石纳米线阵列。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微纳米结构加工
，尤其是涉及一种金刚石纳米线阵列、其制 备方法及用于电化学分析的电极。
技术介绍
近年来，随着水资源在工业化和城镇化进程中不断遭受破坏，水环境中重金属污 染早期预警的工作得到越来越多的重视。电化学分析方法因其具有高的灵敏度、低成本、操 作简单等优点成为对环境中重金属污染现场监测与筛查的重要方法之一。在电化学分析过 程中，检测仪器的电极稳定性是影响分析准确性的一个重要因素。目前常用的玻碳电极存 在着稳定性不足、重复性差以及电化学窗口不够宽的问题，因此有必要寻找一种合适的电 极材料用于电化学分析中。 金刚石材料因具有高稳定性、耐高温、耐化学腐蚀及导热性好等优点，广泛应用于 电极结构中。目前研宄比较多的主要是金刚石纳米线结构作为电极，将其用来实现水环境 中重金属污染现场监测与筛查，因而具有非常重要的意义。现有技术中主要是采用反应离 子刻蚀（RIE)工艺来制备金刚石纳米线结构直接影响金刚石作为电极在电化学分析过程 中的精确度。 为了获得金刚石纳米线结构，尤其是在多晶金刚石上制备出纳米线阵列，有必要 开发出一种新的制备工艺。
技术实现思路
本申请的专利技术人发现，将采用现有工艺制成的金刚石纳米线阵列应用于电化学分 析中的作为电极使用时，发现存在灵敏度较低的问题。本申请的专利技术人进一步发现，这种问 题是由于所制备的金刚石纳米线的深宽比或者说长径比不够而导致的。在采用反应离子刻 蚀（RIE)制备金刚石纳米线阵列时，该工艺在刻蚀过程中对侧壁倾斜角度的控制性较差， 并且相对于单晶金刚石材料，由于多晶金刚石材料的表面粗糙度较大，颗粒尺寸往往在几 百纳米甚至更大的范围内，使得采用RIE制备金刚石纳米线阵列更加困难，因而往往无法 实现高深宽比的金刚石纳米线阵列的刻蚀。 在采用RIE制备金刚石纳米线阵列的过程中，有众多参数会影响到所制备的产品 的形貌。本申请的专利技术人还发现，在这些参数中，等离子体的产生和加速对刻蚀过程中侧壁 陡直性的影响是关键的，而采用ICP-RIE进行刻蚀，恰好能够较好地控制等离子体的产生 和加速，对刻蚀形貌的可控性较高。 本专利技术的目的旨在提供一种金刚石纳米线阵列、其制备方法及用于电化学分析的 电极，采用该方法可以较好地控制制备过程，从而得到侧壁陡直性更好且深宽比更高的金 刚石纳米线阵列。 为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种金刚石纳米线阵列的制 备方法，用于在金刚石薄膜中形成金刚石纳米线阵列，其中，金刚石纳米线阵列包括多根沿 金刚石薄膜的厚度方向延伸且在横向上相互间隔开的金刚石纳米线，该制备方法包括： 在金刚石薄膜的表面上设置掩模层，该掩模层的图形构成为覆盖待形成的各个金 刚石纳米线的顶端，并暴露出相邻的金刚石纳米线之间的待刻蚀部分；采用电感耦合等离 子体反应离子刻蚀工艺对具有掩模层的金刚石薄膜进行刻蚀，以去除待刻蚀部分，从而在 金刚石薄膜中形成柱状的各个金刚石纳米线；以及去除位于各个金刚石纳米线的顶端的掩 膜层的材料，得到金刚石纳米线阵列。 进一步地，在电感耦合等离子体反应离子刻蚀工艺中：刻蚀气体为氧气，刻蚀气体 的流量为28~32sccm，刻蚀腔内的压强为90~IlOmTorr，射频功率为90~110W，电感耦 合等离子体的功率为680~720W，刻蚀时间为5~15分钟。 进一步地，刻蚀气体的流量为3〇SCCm，刻蚀腔内的压强为lOOmTorr，射频功率为 100W，电感耦合等离子体功率为700W，刻蚀时间为10分钟。 进一步地，在电感耦合等离子体反应离子刻蚀工艺中，刻蚀气体为SF6。 进一步地，金刚石纳米线阵列的制备方法还包括对获得的金刚石纳米线阵列进行 硼掺杂处理的步骤。 进一步地，掩模层的图形包括与金刚石纳米线阵列对应的圆凸点阵列；其中，圆 凸点阵列中的圆凸点的周期和每个圆凸点的直径为亚微米量级；优选地，圆凸点的周期为 300~lOOOnm，圆凸点的直径为100~300nm ;进一步优选地，圆凸点的周期为800nm，圆凸 点的直径为300nm〇 进一步地，金刚石薄膜是由多晶或单晶的金刚石材料形成。 进一步地，采用化学气相沉积或者硼离子注入的方式对金刚石纳米线阵列进行硼 掺杂。 进一步地，采用湿法腐蚀或者干法刻蚀去除柱状结构顶部的掩膜层。 进一步地，采用电子束曝光的方式形成图案阵列；可选地，电子束曝光的条件为： 曝光剂量为2000 μ C/cm2,曝光时间为1分钟。 根据本专利技术的另一方面，提供了一种金刚石纳米线阵列，采用上述任一种的方法 制备而成，其中，每一金刚石纳米线的长径比为4:1~10:1。 根据本专利技术的又一方面，还提供了一种用于电化学分析的电极，其由上述的金刚 石纳米线阵列构成。 应用本专利技术的技术方案，通过在金刚石薄膜上先制备掩膜层图形阵列，之后创造 性地采用电感耦合等离子体（ICP-RIE)反应离子刻蚀，由于增加了电感耦合元件，该元件 具有高的等离子体密度及刻蚀效率，使得等离子体的产生和加速可以分别控制，实现了对 刻蚀过程进行控制，从而达到了对刻蚀形貌具有较高可控性的目的，进而得到了侧壁陡直 性更好且深宽比更高的金刚石纳米线阵列。 由于多晶金刚石表面粗糙度较大，颗粒尺寸往往在几百纳米甚至更大，因此采用 现有的一些方法在金刚石薄膜上来制备纳米线更加困难。本专利技术所提供的方法不仅可以在 单晶金刚石薄膜上进行刻蚀，尤其可以在多晶金刚石薄膜上进行亚微米尺寸的金刚石纳米 线结构阵列的加工和精细调控，进而较好地控制所获得的金刚石纳米线阵列的周期和直径 大小，从而可以有效地改变金刚石纳米柱的尺寸、柱的高度。本专利技术得到的金刚石纳米线具 有较高的深宽比或者说长径比，且侧壁较陡直，可以作为电极应用到水环境中的重金属离 子探测，同时在电化学传感和生物检测传感方面应用具有重要的意义。此外，本专利技术所提供 的制备方法还具有以下有益效果： 1)本专利技术基于感应耦合等离子体反应离子刻蚀和硼掺杂技术，实现了大规模的金 刚石纳米线阵列的制备，得到的金刚石纳米线直径仅为200nm左右，且阵列密度较大，具有 极大的比表面积； 2)还可以通过调节刻蚀工艺参数进而有效地控制金刚石纳米线结构的形貌，如顶 端形状、纳米线高度以及深宽比或者说长径比等； 3)对得到的金刚石纳米线阵列进行掺硼处理，使得掺硼金刚石具有一系列突出的 电化学特性：宽电化学视窗、低背景电流、高电化学稳定性和强抗电极表面玷污能力，非常 适合作电极材料。并且金刚石纳米线具有一定的导电能力后，为电极表面重金属离子的富 集提供了一种新型结构，还可以用于生物医学方面的DNA序列的识别研宄。 根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明 了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。【附图说明】 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些 附图未必是按比例绘制的。附图中： 图1为本专利技术一种实施例中制备金刚石纳米线阵列的方法示意图； 图2为本专利技术的一种实施例中在金刚石薄膜上涂覆光刻胶待曝光后光刻胶 pattern的扫描电子显微镜照片； 图3为本专利技术的实施例1中经刻蚀时间为5分钟后获得的金刚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石纳米线阵列的制备方法，用于在金刚石薄膜(10)中形成所述金刚石纳米线阵列，所述金刚石纳米线阵列包括多根沿所述金刚石薄膜(10)的厚度方向延伸且在横向上相互间隔开的金刚石纳米线(20)，所述制备方法包括：在所述金刚石薄膜(10)的表面上设置掩模层(30)，所述掩模层(30)的图形构成为覆盖待形成的各个所述金刚石纳米线(20)的顶端，并暴露出相邻的所述金刚石纳米线(20)之间的待刻蚀部分；采用电感耦合等离子体反应离子刻蚀工艺对具有所述掩模层(30)的所述金刚石薄膜(10)进行刻蚀，以去除所述待刻蚀部分，从而在所述金刚石薄膜(10)中形成柱状的各个所述金刚石纳米线(20)；以及去除位于各个所述金刚石纳米线(20)的顶端的所述掩膜层(30)的材料，得到所述金刚石纳米线阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊杰，孙鹏，唐成春，全保刚，刘哲，顾长志，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11