一种具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法技术

本发明专利技术公开了一种具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法，首先在弹性衬底上制备周期性金属颗粒，通过对弹性衬底的拉伸，改变衬底上相邻金属颗粒之间的间距，实现10nm及以下的纳米级金属间隙。本发明专利技术的制造方法通过对金属颗粒阵列的相对位置的调控，还可以实现对该结构透射、反射或吸收峰等光学模式的动态调谐，且具有低成本、高效率、可大批量生产同时精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属颗粒的制造方法，具体涉及一种具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法。
技术介绍
局域表面等离子体效应可以使入射光场局域在金属纳米颗粒的尖端或者很小的间隙内，这个效应可广泛应用于非线性效应的增强、表面增强拉曼散射、荧光增强、高灵敏度传感器等方面。当两个金属纳米结构间距很近时，会发生强烈的近场耦合，在两颗粒之间的间隙内，场强得到极大的增强，通常这个增强倍数会比单个颗粒的增强效果更佳显著。金属纳米颗粒之间的间距越小，场强增强的倍数越大，因此发展具有纳米级(10nm及以下)间隙的金属颗粒制造技术十分重要。目前，制备10nm及以下间隙的常用方法主要有阴影沉积技术、牺牲层技术等。结合电子束光刻和阴影沉积银，Theiss制备出间距为1nm的银颗粒对阵列(Theiss,J.et al.,Plasmonic Nanoparticle Arrays with Nanometer Separation for High-Performance SERS Substrates.Nano Letters,2010.10(8):p.2749-2754.)。但在阴影沉积技术中，沉积过程中金属原子的发散和沉积掩模的制备精度问题，容易造成纳米级间隙的堵塞，因而所制备结构的精确度差，制备难度较大，重复性差；Im把原子层沉积技术(ALD)制备的超薄氧化铝层作为牺牲层，制备出宽度为5～20nm的连续的纳米间隙结构(Im,H.et al.,Vertically Oriented Sub-10-nm Plasmonic Nanogap Arrays.Nano Letters,2010.10(6):p.2231-2236.)。但这种方法制备工艺复杂，且成本较高。另外，目前绝大部分的结构被制备出来以后，其光学性质也已固定。尽管这些固定的光学性质可以应付集成光子学中的传导、传感和增强等被动功能，但在调谐、调制、开关等主动功能方面却无能为力。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术是的目的是提供一种具有纳米级间隙的金属颗粒及其制造方法，通过对制备有金属纳米颗粒阵列的弹性衬底的拉伸，改变衬底上金属颗粒阵列的周
期，可以实现10nm及以下的金属纳米间隙；另外，在这种方法中，通过对金属颗粒阵列的相对位置的调控，还可以实现对该结构透射、反射或吸收峰等光学模式的动态调谐。该方法具有低成本、高效率、可大批量生产同时精度高的优点。本专利技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。一种具有纳米级间隙的金属阵列制造方法，其包括以下步骤：步骤一：制备具有纳米级平整度的弹性衬底；步骤二：在所述弹性衬底表面形成周期性排列的金属颗粒；步骤三：在弹性衬底的两侧分别向外施加拉力，则在垂直于拉力的方向上衬底收缩，相应的，在垂直于拉力的方向上金属颗粒间距减小，在一定拉伸长度下，金属颗粒阵距减小至10nm及以下。步骤一中，获得纳米级平整度的弹性衬底方法为：利用抛光后材料的平整表面，将弹性衬底前驱体混合并涂覆于所述抛光后材料的表面，通过除气泡处理后，将所述弹性衬底前驱体固化；然后将弹性衬底切割成需要的尺寸，并从所述抛光后材料的表面取下。则与所述抛光后材料表面接触的弹性衬底表面具有纳米级平整度。可选的，在将前驱体混合并涂覆于所述抛光后材料的表面之前，还包括：在所述抛光后材料的表面吸附脱模剂的步骤。优选的，所述弹性衬底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，获得纳米级平整度的弹性衬底方法为：利用抛光后硅片的平整表面，将制备PDMS的前驱体(包括主体和固化剂)混合并搅拌均匀，然后涂覆于硅片表面，通过在真空皿中抽真空除掉气泡后，将涂覆了PDMS前驱体的硅片放置于烤箱中烘烤至固化；然后，将弹性衬底切割成需要的尺寸，并从硅片表面取下，得到具有纳米级平整度的PDMS衬底。其中，烘烤温度优选为60-80℃，烘烤时间优选为小于2.5小时，过长的烘烤时间或加热温度会降低PDMS的弹性，导致拉伸效果降低。步骤二中，弹性衬底表面形成周期性排列的金属颗粒可以按照以下步骤实现：21)在对所述弹性衬底表面进行改性处理，使其表面为亲水性；22)在改性后的弹性衬底表面涂覆光刻胶，进行烘烤处理，然后利用激光干涉曝光和显影，在光刻胶表面形成孔阵列；23)在上述样品表面，利用磁控溅射制备金属薄膜；24)剥离光刻胶及其上部的金属层，形成弹性衬底上的金属颗粒阵列。步骤21)中，由于弹性衬底表面通常为疏水性，因此需要改性处理以制备均匀厚度
的光刻胶薄膜。优选的，采用等离子体刻蚀进行改性处理，刻蚀时间应控制于合适范围内，刻蚀时间过短导致亲水性不佳，而在上面制备的光刻胶厚度不均匀；刻蚀时间过长，容易导致弹性衬底表面弹性降低，降低拉伸效果。优选的，采用氧等离子体刻蚀，刻蚀功率为300-600W，氧气流量为40-90sccm，刻蚀时间为20-60s。步骤22)中，优选的，光刻胶厚度为100-600nm。可选的，激光干涉曝光可采取双光束激光干涉曝光或多光束激光干涉曝光，形成的孔阵列，由激光干涉曝光的条件不同而改变。步骤23)中，在所述磁控溅射制备金属薄膜步骤之后，还可以包括：蒸发制备金属薄膜的步骤。值得注意的是，为了防止弹性衬底表面硬化而降低效果，制备与弹性衬底表面接触的金属薄膜需采用磁控溅射，在磁控溅射之后可选择性的使用蒸发加厚金属厚度。如果直接采用蒸发方法时，由于金属熔点较高，被蒸发的金属原子直接到达弹性衬底表面时，将导致弹性衬底表面硬化，从而在拉伸到较大长度时，弹性衬底最表层发生断裂，从而不能有效将金属纳米颗粒调控至纳米级间隙。金属薄膜材料可以为金，银，铝，铜等贵金属。优选的，金属薄膜厚度为10-200nm。步骤24)中，采用超声剥离或金属撕拉法剥离。剥离前，样品在丙酮或乙醇等溶剂中浸泡。借由上述技术方案，本专利技术具有如下优点和有益效果：1)与现有技术相比，本申请提出采用对弹性衬底拉伸的方法制备纳米级间隙的金属阵列，利用该方案可以把纳米级别的微观尺度调控转化为毫米级别的宏观尺度调控；2)同时，通过对金属颗粒阵列的相对位置的调控，还可以实现对该结构透射、反射或吸收峰等光学模式的动态调谐。该方法具有低成本、高效率、可大批量生产的优点；3)在制备方案上，采用直接在弹性衬底表面进行激光干涉曝光，简化制备工艺，降低制备成本；采用磁控溅射制备金属薄膜，防止弹性衬底表面硬化。附图说明图1为采用蒸发方法制备金薄膜，拉伸之后PDMS表层裂痕扫描电镜图。图2为本申请实施例一步骤二示意图。图3为本申请实施例一步骤三示意图。图4为本申请实施例一步骤四示意图。图5为本申请实施例一步骤五示意图。图6为本申请实施例一步骤六示意图。图7所示为图6的俯视图。图8所示为拉伸之后样品俯视图。图9(a)-9(d)所示分别为拉伸比为0％、40％、80％和100％的扫描电镜图。图9(e)为相邻圆盘间隙为10nm以下的扫描电镜图。图9(f)为相邻圆盘接触时的扫描电镜图。图10为拉伸比R为0％、20％、40％、60％、80％和100％时的透射光谱图。具体实施方式为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本申请具体实施例以及相应的附图对本申请技术方案进行清楚地描述。实施例一以双光束激光干涉曝光制备四方晶格阵列金圆盘为例，描述具体制造工艺。根据实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，制备具有纳米级平整度的弹性衬底；步骤二，在所述弹性衬底表面形成周期性排列的金属颗粒；步骤三，在弹性衬底的两侧分别向外施加拉力，在垂直于拉力的方向上金属颗粒间距减小，在一定拉伸长度下，相邻金属颗粒间距减小至10nm及以下。

【技术特征摘要】
1.一种具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，制备具有纳米级平整度的弹性衬底；步骤二，在所述弹性衬底表面形成周期性排列的金属颗粒；步骤三，在弹性衬底的两侧分别向外施加拉力，在垂直于拉力的方向上金属颗粒间距减小，在一定拉伸长度下，相邻金属颗粒间距减小至10nm及以下。2.如权利要求1所述的具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法，其特征在于：所述弹性衬底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；获得纳米级平整度的弹性衬底方法为：11)利用抛光后硅片的平整表面，将制备PDMS的前驱体(包括主体和固化剂)混合并搅拌均匀，然后涂覆于抛光后硅片表面，通过在真空皿中抽真空除掉气泡后，将涂覆了PDMS前驱体的硅片放置于烤箱中烘烤至固化；12)然后将弹性衬底切割成需要的尺寸，并从硅片表面取下，得到具有纳米级平整度的PDMS衬底。3.如权利要求2所述的具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法，其特征在于：步骤11)中，在将前驱体混合并涂覆于所述硅片表面之前，还包括在抛光后硅片的表面吸附脱模剂的步骤。4.如权利要求1所述的具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法，其特征在于：步骤二，在所述弹性衬底表面形成周期性排列的金属颗粒的方法为：21)对所述弹性衬底表面进行改性处理，使其表面为亲水性；22)在改性后的弹性衬底表面涂覆光刻胶，进行烘烤处理，然后利用激光干涉曝光和显影，...

【专利技术属性】
技术研发人员：金崇君，刘文杰，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44