硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列及其制備方法。該硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列包括一硅片基底，硅片基底上設(shè)有硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列，硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列上設(shè)有金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單元設(shè)于硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列單元上。制備方法包括制備單層有序聚苯乙烯納米球致密排列、制備單層有序聚苯乙烯納米顆粒非致密排列、制備金屬納米孔陣列掩模、制備納米結(jié)構(gòu)陣列模版、制備金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列掩模和硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列等工藝步驟。本發(fā)明專利技術(shù)的納米結(jié)構(gòu)陣列具有大面積、高密度、形貌可被改變等優(yōu)點(diǎn)，制備方法成本低廉、效率高、兼容性好，為研究納米結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)性質(zhì)、磁性能、催化特性等提供了便利。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于納米結(jié)構(gòu)制造
，具體涉及一種。
技術(shù)介紹
表面等離子體共振是金屬納米結(jié)構(gòu)所具有的一種特殊光學(xué)性能，可以使得金屬納米結(jié)構(gòu)具有特殊的介電性質(zhì)，其表面等離子體激元可以在遠(yuǎn)小于入射光的亞波長尺度上有較強(qiáng)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，原理上使得光場(chǎng)在納米尺度上空間可控，在表面增強(qiáng)拉曼散射、等離子體亞波長光刻、太陽能電池等方面極具應(yīng)用前景。對(duì)周期性金屬納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)進(jìn)行研究，可以對(duì)納米元的構(gòu)型、尺寸、材質(zhì)和矩陣參數(shù)進(jìn)行可控地調(diào)節(jié)，有利于深入研究金屬納米結(jié)構(gòu)表面電荷移動(dòng)和能量轉(zhuǎn)移的途徑和機(jī)理，為探索制備具有特定表面等離子體光子學(xué)特性的金屬納米結(jié)構(gòu)體系提供幫助。而硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列的可控制備將是這個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，納米結(jié)構(gòu)陣列通常通過“自上而下”或“自下而上”工藝來制備。這些制備工藝大多成本較高，制造效率較低，且受限于加工方式的影響，難以實(shí)現(xiàn)硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列的可控制備。對(duì)金屬納米結(jié)構(gòu)陣列及其制造技術(shù)的研究和改進(jìn)而言，研究如何實(shí)現(xiàn)硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列的可控制備，具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義，這同時(shí)也是本領(lǐng)域技術(shù)人員面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供大面積、高密度的硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，還提供一種通用性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、兼容性好、效率高、成本低、且能夠?yàn)橹芷谛越饘偌{米結(jié)構(gòu)的研究提供便利的硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提出的技術(shù)方案為一種硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，所述硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列包括一硅片基底，所述硅片基底上設(shè)有硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列，所述硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列上設(shè)有金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單元設(shè)于硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列單元上。上述的硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列中，優(yōu)選的，所述硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列單元為娃柱顆粒，所述娃柱顆粒的平均粒徑為IOnm?700nm,所述娃柱顆粒的高度為IOnm?500nm,相鄰?fù)拗w粒之間的間距為50nm?5000nm ;所述金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單元的最大直徑為20nm?IOOOnm,金屬膜的平均厚度為5nm?50nm。上述的硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列中，優(yōu)選的，所述硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列和所述金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列均為二維周期性排列的六方陣列結(jié)構(gòu)；所述硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列單元和所述金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單元的組合呈蘑菇狀；所述金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單元的結(jié)構(gòu)為金字塔結(jié)構(gòu)、屋脊結(jié)構(gòu)、八面體結(jié)構(gòu)、帽結(jié)構(gòu)、碗結(jié)構(gòu)、圓柱體結(jié)構(gòu)或圓錐體結(jié)構(gòu)。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本專利技術(shù)還提供了一種硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，包括以下步驟: (1)制備單層有序聚苯乙烯納米球致密排列:先配制聚苯乙烯納米球懸浮液體系，將所述聚苯乙烯納米球懸浮液體系旋涂于一硅片表面，在硅片表面形成單層有序聚苯乙烯納米球致密排列； (2)制備單層有序聚苯乙烯納米顆粒非致密排列:采用等離子體刻蝕法將形成所述致密排列的聚苯乙烯納米球刻小，在硅片表面得到單層有序聚苯乙烯納米顆粒非致密排列； (3)制備金屬納米孔陣列掩模:在覆有單層有序聚苯乙烯納米顆粒非致密排列的硅片上沉積金屬膜，金屬膜沉積厚度小于所述聚苯乙烯納米顆粒粒徑的1/2，然后用膠帶去除所述聚苯乙烯納米顆粒，在硅片表面得到金屬納米孔陣列掩模； (4)制備納米結(jié)構(gòu)陣列模版:以所述金屬納米孔陣列掩模作為刻蝕掩模，利用硅片的腐蝕特性對(duì)硅片進(jìn)行腐蝕，得到帶有金屬納米孔陣列掩模和硅納米坑的納米結(jié)構(gòu)陣列模版； (5)制備金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列掩模:在所述納米結(jié)構(gòu)陣列模版上直接淀積一層與步驟(3)所述金屬膜不同材質(zhì)的金屬材料薄膜，位于所述金屬納米孔陣列掩模層上的金屬材料薄膜為第一層金屬材料薄膜，位于所述硅納米坑內(nèi)的金屬材料薄膜為第二層金屬材料薄膜，所述第二層金屬材料薄膜的沉積厚度小于所述硅納米坑的深度，淀積完成后濕法腐蝕所述金屬納米孔陣列掩模層，將第一層金屬材料薄膜隨之去除，將硅片表面重新暴露出來，同時(shí)保留所述硅納米坑內(nèi)的第二層金屬材料薄膜，得到金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列掩模； (6)制備硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列:以金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列掩模作為刻蝕掩模對(duì)硅片進(jìn)行硅干法刻蝕，得到硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列。上述制備方法的步驟(3)中，優(yōu)選的，所述金屬膜所用金屬為金、銀、銅、鋁或鉻，所述金屬膜的沉積方法為真空蒸鍍法或磁控濺射法。上述制備方法的步驟(5)中，優(yōu)選的，所述金屬材料薄膜所用金屬為金、銀、銅、鋁或其他過渡金屬，所述金屬材料薄膜的淀積方法為真空蒸鍍法或磁控濺射法。本專利技術(shù)的制備方法將成熟的硅刻蝕工藝和新興的納米球光刻技術(shù)結(jié)合起來，巧妙地利用不同晶向硅片的刻蝕特性，制造出不同形貌特征的納米結(jié)構(gòu)陣列模版，再淀積以不同材質(zhì)的金屬材料，在進(jìn)行干法刻蝕后即可制備得到硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列。該硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列是由底部是一硅柱，頂部支撐一特定相貌的金屬薄膜，形如蘑菇狀的硅-金屬復(fù)合材質(zhì)結(jié)構(gòu)有序排列形成的周期性納米結(jié)構(gòu)陣列。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于: 首先，針對(duì)金屬納米材料制造的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)中“自上而下”和“自下而上”兩種工藝的優(yōu)勢(shì)，本專利技術(shù)研發(fā)出面向硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列的批量化制備方法，并通過該方法制備得到大面積、高密度的硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，且該硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列的形貌特征可被改變，為研究與金屬納米結(jié)構(gòu)形貌、尺寸、陣列排布相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)、磁性能、催化特性、熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、電子輸運(yùn)等特性提供了便利，在信息存儲(chǔ)、平板顯示器、量子點(diǎn)激光器、生化傳感器等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。其次，本專利技術(shù)優(yōu)化后的技術(shù)方案通過兩次鍍膜作為掩膜層、進(jìn)行兩次刻蝕，依次成功實(shí)現(xiàn)了金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列和硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列兩種結(jié)構(gòu)的制作，可以為研究硅柱支撐的金屬納米結(jié)構(gòu)的總體特性提供便利。再次，本專利技術(shù)的技術(shù)方案可用于制作金、銀、銅及其他過渡金屬等不同材質(zhì)的二維有序金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，可以為研究與納米結(jié)構(gòu)材質(zhì)相關(guān)的陣列總體特性提供便利。最后，本專利技術(shù)采用的主要工藝(包括旋涂工藝、干法刻蝕工藝、金屬淀積工藝、硅刻蝕工藝等)均為成熟的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)工藝，單分散性較好的聚苯乙烯納米球也可直接外購，因此本專利技術(shù)的技術(shù)方案具有通用性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、兼容性好、操作方便、效率高、成本低等特點(diǎn)，可以充分利用現(xiàn)有的設(shè)備和資源，且對(duì)納米尺度效應(yīng)向納米器件的轉(zhuǎn)化也具有重要意義。【附圖說明】圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例1中制備得到的覆有單層有序聚苯乙烯納米球致密排列硅片的局部結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例1中制備得到的覆有單層有序聚苯乙烯納米顆粒非致密排列硅片的局部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例1中制備得到的鍍鉻膜硅片的局部結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例1中制備得到的覆有鍍鉻納米孔陣列掩模的硅片局部結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本專利技術(shù)實(shí)施例1中帶有鍍鉻納米孔陣列掩模的八面體納米坑陣列模版的局部結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本專利技術(shù)實(shí)施例1中鍍金膜的八面體納米坑陣列硅片的局部結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本專利技術(shù)實(shí)施例1中去除鉻膜和表層金膜的附著八面體金膜納米結(jié)構(gòu)陣列掩模的娃片局部結(jié)構(gòu)不意圖。圖8為本專利技術(shù)實(shí)施例1中制備得到的硅柱支撐的八面體金膜納米結(jié)構(gòu)陣列局部結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備得到的硅柱支撐的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于：所述硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列包括一硅片基底，所述硅片基底上設(shè)有硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列，所述硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列上設(shè)有金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單元設(shè)于硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列單元上。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于:所述硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列包括一硅片基底，所述硅片基底上設(shè)有硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列，所述硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列上設(shè)有金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單元設(shè)于硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列單元上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于:所述硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列單元為娃柱顆粒，所述娃柱顆粒的平均粒徑為IOnm?700nm,所述娃柱顆粒的高度為IOnm?500nm,相鄰?fù)拗w粒之間的間距為50nm?5000nm ;所述金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單兀的最大直徑為20nm?IOOOnm,金屬膜的平均厚度為5nm?50nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于:所述硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列和所述金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列均為二維周期性排列的六方陣列結(jié)構(gòu)；所述硅柱納米結(jié)構(gòu)陣列單元和所述金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單元的組合呈蘑菇狀；所述金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列單元的結(jié)構(gòu)為金字塔結(jié)構(gòu)、屋脊結(jié)構(gòu)、八面體結(jié)構(gòu)、帽結(jié)構(gòu)、碗結(jié)構(gòu)、圓柱體結(jié)構(gòu)或圓錐體結(jié)構(gòu)。4.一種如權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述的硅柱支撐的金屬膜納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，包括以下步驟: (1)制備單層有序聚苯乙烯納米球致密排列:先配制聚苯乙烯納米球懸浮液體系，將所述聚苯乙烯納米球懸浮液體系旋涂于一硅片表面，在硅片表面形成單層有序聚苯乙烯納米球致密排列； (2)制備單層有序聚苯乙烯納米顆粒非致密排列:采用等離子體刻蝕法將形成所述致密排列的聚苯乙烯納米球刻小，在硅片表面得到單層有序聚苯乙烯納米顆粒非致密...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳學(xué)忠，董培濤，王浩旭，陳劍，邸荻，王朝光，王俊峰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：