一种三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构及其制备方法和应用，属于纳米光子学技术领域。本发明专利技术采用疏水分子对纳米颗粒进行包覆后分散于有机溶剂中，得到改性纳米颗粒分散液；将三维模板进行表面处理，得到亲水性三维模板；将水加在所述亲水性三维模板表面形成水膜，将所述改性纳米颗粒分散液滴加在所述水膜表面进行自组装，然后将所述水膜移除，得到三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构。本发明专利技术通过自组装‑模板辅助方法制备的三维阵列结构，能够产生垂直、平行多重表面晶格共振，有效地抑制辐射损耗，增强了纳米尺度光与物质相互作用，在增强非线性效应、生物传感、纳米激光或增强荧光中应用前景好；且制备方法通用性好，操作简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构及其制备方法和应用
本专利技术涉及纳米光子学
，具体涉及一种三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构及其制备方法和应用。
技术介绍
基于纳米颗粒阵列的表面晶格共振可以有效抑制共振模式处的辐射损耗，从而增强纳米尺度光与物质相互作用，被广泛应用于增强非线性效应、生物传感、纳米激光或增强荧光等领域。为产生表面晶格共振，一般采用平面二维纳米颗粒阵列结构，其制备方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两种方式。“自上而下”技术是利用电子束刻蚀、离子束刻蚀、光刻等物理刻蚀技术制备纳米结构，这种方法得到的纳米结构精准可控，但成本昂贵，制作过程复杂，不适合平方毫米级以上尺寸样品的制备；此外，所采用的纳米颗粒通常基于电子束蒸镀、激光蒸镀、热蒸镀等方式制备，属于非晶体系，相对于晶体材料具有较大的非辐射损耗。“自下而上”是一种自组装的方法，即以纳米颗粒为基本单元，通过直接或间接的方式控制颗粒之间的相互作用，使纳米颗粒自发性的组装成有序的结构。该类方法具有很高的可扩展性，成本低廉，并且纳米颗粒可具有晶体结构，能够抑制非辐射损耗，因此受到研究者们的广泛关注。采用现有“自下而上”界面自组装方法已能够制备平面密排纳米颗粒薄膜，然而这种体系周期与纳米颗粒尺寸在同一量级，纳米颗粒局域共振与阵列瑞利异常不能产生耦合，故无法激发表面晶格共振。结合物理刻蚀平面周期孔洞模板，能够自组装制备二维排布纳米颗粒阵列结构，其中通过调整孔洞模板周期，可以使得纳米颗粒局域共振与阵列瑞利异常形成耦合，从而激发表面晶格共振，然而这种方法中模板孔洞尺寸一般大于纳米颗粒尺寸，这造成纳米颗粒的位置具有一定的不确定性，很难形成具有一致周期的阵列结构，从而影响所形成表面晶格共振品质因子的提升。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构及其制备方法和应用，本专利技术提供的制备方法能够制备得到三维阵列结构，且能够在不同偏振方向上激发尖锐的表面晶格共振，从而有效增强纳米尺度光与物质相互作用强度。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的制备方法，包括以下步骤：(1)采用疏水分子对纳米颗粒进行包覆后分散于有机溶剂中，得到改性纳米颗粒分散液；(2)将三维模板进行表面处理，得到亲水性三维模板；(3)将水加在所述亲水性三维模板表面形成水膜，将所述改性纳米颗粒分散液滴加在所述水膜表面进行自组装，然后将所述水膜移除，得到沿三维模板排布的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构；步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。优选的，所述纳米颗粒包括金属纳米颗粒或固态电介质纳米颗粒；所述纳米颗粒的粒度为10～500nm；所述纳米颗粒的形状包括球形、立方体形、盘形、棒状、锥状或箭头状；所述改性纳米颗粒分散液的浓度为5～300mg/mL；滴加在所述水膜表面的改性纳米颗粒分散液的体积为0.1～1000μL。优选的，所述疏水分子包括聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚烯烃、聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯、氟硅树脂、熔融石蜡和有机硅蜡乳中的一种或几种。优选的，所述有机溶剂包括氯仿、甲苯或四氢呋喃。优选的，所述三维模板包括聚二甲基硅氧烷褶皱模板、聚苯乙烯褶皱模板或物理刻蚀模板；所述三维模板的阵列周期≥所述纳米颗粒的粒径。优选的，所述表面处理包括等离子体清洗、食人鱼溶液清洗和RCA标准清洗中的一种或几种。优选的，所述水膜厚度为0.1～100mm；所述水膜的半径为0.1～100cm。优选的，所述水膜的移除方法包括抽取去除、自然蒸发或加热蒸发。本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法得到的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构。本专利技术提供了上述技术方案所述的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构在增强非线性效应、生物传感、纳米激光或增强荧光中的应用。本专利技术提供了一种三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的制备方法，包括以下步骤：(1)采用疏水分子对纳米颗粒进行包覆后分散于有机溶剂中，得到改性纳米颗粒分散液；(2)将三维模板进行表面处理，得到亲水性三维模板；(3)将水加在所述亲水性三维模板表面形成水膜，将所述改性纳米颗粒分散液滴加在所述水膜表面进行自组装，然后将所述水膜移除，得到沿三维模板排布的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构；步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。本专利技术通过自组装与模板辅助相结合的方法制备得到三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构，光场传播过程中具有相位延迟，这使得纳米颗粒局域共振与阵列瑞利异常能够形成耦合，在不依赖与基底折射率条件匹配的情况下，能够产生垂直、平行多重表面晶格共振多重表面晶格共振；由于三维结构的存在，能够形成与入射光场波矢方向相同的等效偶极矩，故在正交偏振方向上也可激发表面晶格共振；在采用柔性基底情况下，可以方便的通过拉伸基底调整阵列周期，进而调整表面晶格共振的峰位及品质因子；此外，以纳米颗粒为基本单元，有效抑制了纳米颗粒的辐射损耗，增强了光与物质相互作用，在增强非线性效应、生物传感、纳米激光或增强荧光中的应用；而且，本专利技术提供的制备方法通用性好，操作简单，成本低。本专利技术提供了上述技术方案所述的制备方法得到的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构。本专利技术提供的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构能够在不同偏振光激发下产生表面晶格共振，有效地抑制了辐射损耗，增强了纳米尺度光与物质相互作用，在增强非线性效应、生物传感、纳米激光或增强荧光中具有很好的应用前景。附图说明图1为实施例1制备的PDMS褶皱阵列模板的光学显微镜反射图；图2为实施例1制备的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的示意图；图3为实施例1制备的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的实物图；图4为实施例1制备的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的仿真图，其参数为：皱褶周期750nm，金纳米球直径35nm，间隔5nm，褶皱高度126nm，环境折射率1.3下偏振垂直褶皱方向透射；图5为实施例1制备的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的仿真图，其参数为周期750nm，金纳米球直径35nm，间隔5nm，褶皱高度126nm，环境折射率1.5下偏振垂直褶皱方向透射；图6为实施例1制备的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的仿真图，其参数为周期750nm，金纳米球直径35nm，间隔5nm，褶皱高度126nm，环境折射率1.3下偏振沿褶皱方向透射；图7为实施例1制备的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的仿真图，其参数为周期750nm，金纳米球直径35nm，间隔5nm，褶皱高度126nm，环境折射率1.5下偏振沿褶皱方向透射；图8为实施例1制备的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的透射谱，其参数为皱褶周期750nm，金纳米球直径35nm，间隔5nm，褶皱高度126nm，环境折射率1.3下偏振垂直褶皱方向透射；图9为实施例1制备的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的透射谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的制备方法，包括以下步骤：/n(1)采用疏水分子对纳米颗粒进行包覆后分散于有机溶剂中，得到改性纳米颗粒分散液；/n(2)将三维模板进行表面处理，得到亲水性三维模板；/n(3)将水加在所述亲水性三维模板表面形成水膜，将所述改性纳米颗粒分散液滴加在所述水膜表面进行自组装，然后将所述水膜移除，得到沿三维模板排布的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构；/n步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用疏水分子对纳米颗粒进行包覆后分散于有机溶剂中，得到改性纳米颗粒分散液；
(2)将三维模板进行表面处理，得到亲水性三维模板；
(3)将水加在所述亲水性三维模板表面形成水膜，将所述改性纳米颗粒分散液滴加在所述水膜表面进行自组装，然后将所述水膜移除，得到沿三维模板排布的三维排布纳米颗粒薄膜阵列结构；
步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米颗粒包括金属纳米颗粒或固态电介质纳米颗粒；
所述纳米颗粒的粒度为10～500nm；
所述纳米颗粒的形状包括球形、立方体形、盘形、棒状、锥状或箭头状；
所述改性纳米颗粒分散液的浓度为5～300mg/mL；
滴加在所述水膜表面的改性纳米颗粒分散液的体积为0.1～1000μL。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述疏水分子包括聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚烯烃、聚酰胺、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘绍鼎，耿伟，岳鹏，廉岚淇，虞应，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14