一种金属纳米线阵列的电化学制备方法技术

本发明专利技术提出一种金属纳米线阵列的结构设计和电化学制备方法，通过在绝缘表面的电解液中施加周期电源信号进行电化学沉积，制备具有脊线结构的金属薄膜材料，具体可通过周期电源信号的大小、频率、振幅等参数实时、有效地调节沉积的金属薄膜的厚度和表面结构。结合表面刻蚀，获得纳米线阵列。纳米线的线宽、高度、纳米线之间的间距均可以灵活改变。本发明专利技术提出的电化学制备方法成本低廉、操作简单、效率高，且易于调控，可以用于制备钴、铜、铁、镍、银、金、镍铁合金、钴镍合金、钴铜合金等金属纳米线阵列。钴铜合金等金属纳米线阵列。钴铜合金等金属纳米线阵列。

【技术实现步骤摘要】
一种金属纳米线阵列的电化学制备方法


[0001]本专利技术涉及一种金属纳米线阵列的生长方法，涉及绝缘表面的电化学沉积工艺，尤其涉及一种金属纳米线阵列的电化学制备方法。

技术介绍

[0002]在现代器件制造技术中，越来越高的集成度带来了高密度的纳米线阵列的需求。纳米线阵列的线宽、周期等成为它应用的一个重要指标，这对纳米线阵列的制备方法提出了较高的要求。传统光刻法由于受到光学衍射极限的限制，分辨率与光源的波长相当，很难达到100nm以下。电子束曝光技术在分辨率上可以达到很高的要求，但是存在着成本过高、制备效率低等缺点。基于高分子线条或阳极氧化氧化铝模板，可以实现规则的纳米结构的制备，在成本方面比较有优势，但是该方法依赖于模板的机械支撑，一旦模板去除，有序纳米线结构将被破坏，且模板很难实现重复利用。因此，一种成本低廉、分辨率高、制备效率高、可控性强的微纳金属纳米线制备技术，是一项亟需解决的技术难题。
[0003]电化学生长方法(或称电化学沉积方法)成本低、操作简单、效率高。然而，电化学生长方法往往需要导电的表面作为阴极基底进行反应，或者使用物理化学方法对沉积表面进行改性，达到电镀的目的。因此，在绝缘表面进行电化学生长一直是一项难题。同时，电化学生长一般被用来制备薄膜样品，对于微纳结构的电化学沉积，沉积物往往杂乱无章，需要模板的支持实现有序的微纳结构的制备。一旦模板被去除，沉积物的有序度也无法得以维持。因此，在绝缘表面进行高有序的纳米线的制备，一直是电化学生长领域的难题。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术的不足，本专利技术提供一种在绝缘表面进行纳米线阵列电化学生长的工艺，制备规则有序的金属纳米线阵列。本专利技术的具体技术方案如下：
[0005]一种金属纳米线阵列的结构设计和电化学制备方法，主要包括以下步骤：
[0006]提供一种电解池，所述电解池为三明治结构，包括均具有绝缘表面且绝缘表面相对布置的上下衬底，以及布置在上下衬底之间的阴阳电极和电解液；
[0007]控制电解池内电解液的温度使电解液凝结；
[0008]通过电源信号驱动电解池内阴阳电极之间发生电化学沉积，沉积物在电解液中自阴极向阳极进行电化学生长，生长结束后得到表面具有周期脊线结构的金属薄膜；所述电源信号由周期信号组成；
[0009]断开电源信号后，连同衬底一起取出金属薄膜，并去除所生长的金属薄膜上的残余电解液，干燥样品；
[0010]对所述金属薄膜进行表面刻蚀，直至刻蚀掉脊线之外的区域，以形成周期排布的脊线结构，即目标金属纳米线阵列。
[0011]进一步，可通过所述周期信号的频率和振幅调节金属薄膜中脊线结构的周期、宽度和高度。
[0012]进一步，所述电解液为至少一种金属盐组成，电解液的浓度为0.01～0.1mol/L，优选0.03～0.08mol/L。
[0013]进一步，上下衬底之间的距离(也即所述电极的直径或厚度)为0.1～1mm，优选0.1～0.3mm；所述电解液的厚度与上下衬底之间的距离相等或接近。
[0014]进一步，可通过控温装置控制电解液的温度，所述控温装置优选恒温水浴系统；所述电极连接信号发生器。
[0015]进一步，所述刻蚀方式包括但不限于离子刻蚀、湿法刻蚀。
[0016]进一步，所述目标金属纳米线阵列的材料包括但不限于钴、铜、铁、镍、银、金，或者上述金属的合金。
[0017]本专利技术通过上述任意一种电化学制备方法制得的目标金属纳米线阵列的高度为50nm～1μm，宽度为50nm～1μm，相邻纳米线间隔不小于30nm。
[0018]本专利技术具有以下有益效果：
[0019](1)本专利技术提出了一种在绝缘表面的电解液中进行电化学沉积金属微纳结构的技术，通过该技术可制得高精度的金属纳米线阵列。
[0020](2)本专利技术可通过电源信号的相关参数调节实时、有效地控制沉积的金属薄膜的厚度和表面结构，使得最终获得的纳米线的线宽、高度、纳米线之间的间距均可以灵活改变。
[0021](3)本专利技术制得的纳米线之间的间距最低可以达到30纳米，纳米线的线宽和高度最低可达50纳米，其精度远超普通光刻。
[0022](4)本专利技术提出的电化学制备方法成本低廉、操作简单、效率高，且易于调控，可以用于制备钴、铜、镍铁合金、钴镍合金等金属纳米线阵列。
[0023]说明书附图
[0024]图1是制备金属纳米线阵列的装置示意图。其中
①
和
⑤
是电极；
②
是下衬底，可选用为硅片；
③
是电解液；
④
是上衬底，可选用盖玻片；
⑥
是玻璃观察窗；
⑦
是保温室。
[0025]图2是制备流程简化示意图。
[0026]图3是大范围钴纳米线阵列的扫描电镜照片。
[0027]图4是制备的不同种类的金属纳米线阵列：其中，图4a是金属钴的纳米线阵列的扫描电镜照片及相应的能谱图；图4b是钴镍合金的纳米线阵列的扫描电镜照片及相应的能谱图；图4c是金属铜的纳米线阵列的扫描电镜照片及相应的能谱图；图4d是镍铁合金的纳米线阵列的扫描电镜照片及相应的能谱图。
具体实施方式
[0028]本专利技术提出一项全新的金属纳米线阵列的制备方法，通过电化学横向生长技术制备高精度的金属纳米线阵列，所述的电化学横向生长技术是一种电化学沉积技术，利用控温装置在绝缘衬底的表面形成凝结的电解液，在该电解液中，在紧贴着绝缘衬底表面的电极上施加驱动电源信号进行电化学反应，使得金属离子在阴极发生还原反应，生成金属沉积物，沉积物由阴极出发，紧贴着绝缘衬底的表面横向生长，形成表面具有周期排布的脊线结构的薄膜状的金属沉积物(简称“金属薄膜”)。在电化学沉积之后，进一步利用离子束刻蚀的方法，对具有脊线结构的金属薄膜整体刻蚀一层，去除脊线区域外的薄膜，仅留下脊线
结构，从而最终得到纳米线阵列结构。这一制备方法可以实现在绝缘衬底上特定规则排列的金属纳米线阵列的制备。并且，可通过改变施加在电极上的驱动电源信号的参数等条件，对金属纳米线阵列的线宽、高度及间距进行有效、实时的调控。
[0029]需要说明的是，本专利技术中所述的金属既包括钴、铜、铁、镍、银、金等金属，也包括镍铁、钴镍、钴铜等合金，相应的，金属薄膜既包括钴、铜、铁、镍、银、金等金属薄膜，也包括镍铁合金、钴镍、钴铜合金薄膜，形成的纳米线阵列可以是钴、铜、铁、镍、银、金等金属纳米线阵列，也可以是镍铁合金、钴镍、钴铜合金等纳米线阵列。
[0030]结合图2所示，本专利技术提出的金属纳米线阵列的制备方法主要包含以下步骤：
[0031]步骤一、电解液和电极的预先设置：
[0032]图1所示的是本专利技术制备金属纳米线阵列的装置，主要包括电解液、电极、恒温水浴系统、保温室和信号发生器。
[0033]其中，电解液主要由金属盐组成，例如：沉积金属钴时，准备环烷酸钴、硬脂酸钴、新癸酸钴、C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属纳米线阵列的电化学制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一种电解池，所述电解池为三明治结构，包括均具有绝缘表面且绝缘表面相对布置的上下衬底，以及布置在上下衬底之间的阴阳电极和电解液；调节电解池内电解液的温度使电解液凝结；通过电源信号驱动电解池内阴阳电极之间发生电化学沉积，沉积物在电解液中自阴极向阳极进行电化学生长，生长结束后得到表面具有周期脊线结构的金属薄膜；所述电源信号由周期信号组成；断开电源信号后，连同衬底一起取出金属薄膜，并去除金属薄膜表面残余电解液；对所述金属薄膜进行表面刻蚀，直至刻蚀掉脊线之外的区域，以形成周期排布的脊线结构，即目标金属纳米线阵列。2.如权利要求1所述的电化学制备方法，其特征在于，通过所述周期信号的频率和振幅调节金属薄膜中脊线结构的周期、宽度和高度。3.如权利要求1所述的电化学制备方法，其特征在于，所述电解液为至少一种金属盐组成，电解液的浓度为0.01～0.1mol/L。4.如权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王牧，彭茹雯，陈飞，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：