一种粗糙化硅柱阵列结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及有序阵列硅材料技术领域，具体涉及一种粗糙化硅柱阵列结构及其制备方法，粗糙化硅柱阵列包括硅衬底和硅衬底上均匀排列的粗糙化硅柱，形成粗糙化硅柱阵列结构；粗糙化硅柱阵列结构表面沉积金膜的厚度为20‑40nm；粗糙化硅柱包括硅基圆台和硅基圆台表面的粗糙化结构，每平方毫米的硅衬底上包括(0.8‑1.2)×10

A kind of roughened silicon column array structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种粗糙化硅柱阵列结构及其制备方法
本专利技术涉及有序阵列硅材料
，具体涉及一种粗糙化硅柱阵列结构及其制备方法。
技术介绍
表面增强拉曼散射(SERS)技术在化工、催化、生物医学和环境等领域中具有广泛应用而备受关注，其克服了传统拉曼光谱与生俱来的信号微弱的缺点，可以使得拉曼强度增大几个数量级，足以探测到单个分子的拉曼信号，可以用于痕量材料分析、流式细胞术以及其它一些应用，这些都是传统拉曼的灵敏度和测量速度不足以完成的。拉曼增强需要具有纳米尺度的粗糙度金属表面作为基底，即活性增强基底，吸附在这种表面上的分子将会产生拉曼增强，活性增强基底的制备是得到良好SERS效应的关键。在SERS的发现之初，活性增强基底实际上是被电化学腐蚀后的粗糙的金属表面。这里的“粗糙”并非宏观的粗糙，而是微观上纳米尺度的粗糙。因为金属表面的粗糙微观结构可以使入射激光在金属表面激发出局域表面等离子体，对于粗糙的金属表面，入射光子能够耦合粗糙表面的额外动量从而实现动量匹配，完成入射光子与表面等离子体的耦合，当两者实现耦合时，金属表面光场的电磁场的强度将急剧增加，从而实现表面等离子体共振的效果。表面等离子体共振大多发生在具有高度局域化的“粗糙”SERS热点附近。而大多数制备硅基衬底时，基本上都是利用湿法蚀刻或者干法蚀刻得到的硅柱结构，把这些硅柱作为硅基表面的SERS热点，虽然可以得到性能可重复较为优异的拉曼性能，但是结构的粗糙程度不够，因而拉曼性能不够理想。如现有中国专利文献CN102464295A公开了一种以银纳米片为基元的空心球微/纳结构阵列，包括衬底、金膜和其上站立着的银纳米片，其制备方法为包括先将球直径为1-10μm的聚苯乙烯微球附于衬底表面形成单层胶体晶体模板的表面形成单层胶体晶体模板，再于单层胶体晶体模板的表面蒸镀金膜，形成结构稳定的结构，提高SERS活性，但是制得的基底结构不均匀，整体的制备方法复杂，实用性不好。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术中难以得到制备方法简单，硅柱足够粗糙且均匀的硅柱阵列的技术问题，提供了一种粗糙化硅柱阵列及其制备方法和应用。本专利技术公开了一种粗糙化硅柱阵列，包括，硅衬底和所述硅衬底上阵列设置的的硅柱，其中，每平方毫米的所述硅衬底上包括(8-12)×105个所述硅柱，且所述硅柱的顶面设置有若干凸起。可选的，所述硅柱的高度为300nm-600nm，所述硅柱的顶面的径向长度为600nm-800nm，相邻硅柱顶面周缘的最小距离为100nm-300nm。可选的，所述凸起为刺状。本专利技术还公开了一种所述粗糙化硅柱阵列的制备方法，包括以下步骤：S1将硅片进行亲水处理，获得表面亲水的硅片；S2在所述硅片表面制备出第一单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列；S3以所述第一单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列为掩膜，对所述表面亲水的硅片进行第一次反应离子刻蚀，以在聚苯乙烯微球下得到硅柱，去除聚苯乙烯微球，得到硅衬底和所述硅衬底上阵列设置的硅柱；S4在所述硅柱的顶面制备第二单层六方密排单层有序聚苯乙烯微球阵列；S5以所述第二单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列为掩膜，对所述硅柱进行第二次反应粒子刻蚀，以在聚苯乙烯微球下得到凸起，然后去除聚苯乙烯微球，得到所述粗糙化硅柱阵列。可选的，所述第一单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列中的聚苯乙烯微球直径为1μm，所述第二单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列中的聚苯乙烯微球直径为100-300nm。可选的，步骤S1中，将所述硅片依次放入去离子水、无水乙醇、丙酮、浓硫酸、过氧化氢、去离子水中进行超声清洗各15-30min，清洗后95-105℃烘干，然后置于含有臭氧的紫外光中辐照20-30min，获得表面亲水的硅片，其中，所述超声频率20-40KHz，功率300-1000W。可选的，在步骤S2中，取含量为2.5wt％，直径为1μm的聚苯乙烯微球悬浮液，与乙醇等体积混合，再超声分散15-30min得到聚苯乙烯微球稀释液，然后利用该聚苯乙烯微球稀释液采用气-液界面自组装方法在所述硅片上制备出第一单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列。可选的，在步骤S2中还包括将第一单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列98℃-102℃加热60-90s。可选的，步骤S3中，第一次反应离子刻蚀以六氟化硫作为工作气体，电流为3A，气体流量为23-35scc/min，气体压强为1-4Pa，刻蚀功率为150-250W，刻蚀时间为2-4min，然后利用CH2Cl2将刻蚀残余聚苯乙烯微球去除，得到硅基圆台组成的阵列结构。可选的，在步骤S4中，取含量为2.5wt％，直径为100nm的聚苯乙烯微球悬浮液，与无水乙醇等体积混合，再超声分散15-30min，制得聚苯乙烯微球乙醇稀释液；然后采用气-液界面自组装方法在另一亲水硅片上制备出第二单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列。可选的，将步骤S4中100nm的第二单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列转移复合到步骤S3所得的硅基圆台上，并且进行第二次反应离子刻蚀，其工作气体为六氟化硫，电流为1A，气体流量为20-40sccm，气体压强为1-4Pa，刻蚀功率为150-250W，刻蚀时间为15-25s，得到粗糙化硅柱阵列结构。本专利技术还公开了一种表面增强拉曼散射基底，包括权利要求1-3任一项所述粗糙化硅柱阵列，或权利要求4-11任一项所述粗糙化硅柱阵列制备方法制备的粗糙化硅柱阵列，在所述粗糙化硅柱阵列结构表面沉积一层厚度为20-40nm的金膜。本专利技术还公开了一种制备所述表面增强拉曼散射基底的方法，采用磁控溅射的方法镀金膜，所述磁控溅射沉积的处理电流为20mA，保护气体为N2，真空度为8×10-4Pa，溅射速率0.3nm/s。本专利技术还公开了一种所述的粗糙化硅柱阵列，或所述的粗糙化硅柱阵列制备方法制备的粗糙化硅柱阵列，或权所述表面增强拉曼散射基底，或所述的表面增强拉曼散射基底在表面增强拉曼散射检测分析领域的应用。本专利技术技术方案，具有如下优点：1.本专利技术公开一种粗糙化硅柱阵列，包括，硅衬底和所述硅衬底上阵列设置的的硅柱，其中，每平方毫米的所述硅衬底上包括(8-12)×105个所述硅柱，且所述硅柱的顶面设置有若干凸起，其排列紧密有序，粗糙程度高，表面活性吸附能力及拉曼性能得到极大的增强，使整个硅柱阵列上的SERS活性热点极大增加，极大提高了表面离子共振耦合效应，极大提高金属表面吸附分子SERS信号；而且由于有序性好，信号的重复性好，检测时准确性和稳定性好。2.本专利技术公开的粗糙化硅柱阵列，通过聚苯乙烯微球，对硅片进行二次刻蚀，制备方法简单，通过聚苯乙烯微球，使得制备方法简单，重复性好，得到有序的硅基圆台和有序的粗糙化结构，显著增加基底的有序性，拉曼检测时的重复性好，与常规RIE制备出的硅基阵列微结构相比，此方法制备出的粗糙化硅柱阵列结构不仅保持硅柱阵列结构原有的利于可重复性拉曼检测的有序结构，而且通过二次复合的方法进行硅柱阵列的粗糙化处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粗糙化硅柱阵列，其特征在于，包括，/n硅衬底和所述硅衬底上阵列设置的的硅柱，其中，每平方毫米的所述硅衬底上包括(8-12)×10

【技术特征摘要】
1.一种粗糙化硅柱阵列，其特征在于，包括，
硅衬底和所述硅衬底上阵列设置的的硅柱，其中，每平方毫米的所述硅衬底上包括(8-12)×105个所述硅柱，且所述硅柱的顶面设置有若干凸起。


2.根据权利要求1所述的粗糙化硅柱阵列，其特征在于，所述硅柱的高度为300nm-600nm，所述硅柱的顶面的径向长度为600nm-800nm，相邻硅柱顶面周缘的最小距离为100nm-300nm。


3.根据权利要求1或2所述的粗糙化硅柱阵列，其特征在于，所述凸起为刺状。


4.一种权利要求1-3任一项所述粗糙化硅柱阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1将硅片进行亲水处理，获得表面亲水的硅片；
S2在所述硅片表面制备出第一单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列；
S3以所述第一单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列为掩膜，对所述表面亲水的硅片进行第一次反应离子刻蚀，以在聚苯乙烯微球下得到硅柱，去除聚苯乙烯微球，得到硅衬底和所述硅衬底上阵列设置的硅柱；
S4在所述硅柱的顶面制备第二单层六方密排单层有序聚苯乙烯微球阵列；
S5以所述第二单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列为掩膜，对所述硅柱进行第二次反应粒子刻蚀，以在聚苯乙烯微球下得到凸起，然后去除聚苯乙烯微球，得到所述粗糙化硅柱阵列。


5.根据权利要求4所述的粗糙化硅柱阵列的制备方法，其特征在于，所述第一单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列中的聚苯乙烯微球直径为1μm，所述第二单层六方密排有序聚苯乙烯微球阵列中的聚苯乙烯微球直径为100-300nm。


6.根据权利要求4或5所述的粗糙化硅柱阵列的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将所述硅片依次放入去离子水、无水乙醇、丙酮、浓硫酸、过氧化氢、去离子水中进行超声清洗各15-30min，清洗后95-105℃烘干，然后置于含有臭氧的紫外光中辐照20-30min，获得表面亲水的硅片，其中，所述超声频率20-40KHz，功率300-1000W。


7.根据权利要求4-6任一项所述的粗糙化硅柱阵列的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，取含量为2.5wt％，直径为1μm的聚苯乙烯微球悬浮液，与乙醇等体积混合，再超声分散15-30min得到聚苯乙烯微球稀释液，然后利用该聚苯乙烯微球稀释液采用气-液界面自...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨绍松，刘广强，毛海央，陈大鹏，
申请(专利权)人：无锡物联网创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32