專利名稱：一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，該芯片采用反應(yīng)離子刻蝕工藝結(jié)合納米球光刻(NSL)技術(shù)制作而成。
背景技術(shù)：
近年來，納米材料的獨(dú)特光學(xué)、磁學(xué)、電子學(xué)和力學(xué)特性已經(jīng)受到研究人員的廣泛關(guān)注。貴金屬納米顆粒由于其獨(dú)特的光學(xué)特性，在這方面尤為受到關(guān)注。當(dāng)入射光的頻率與金屬納米顆粒中的自由電子的集體振動(dòng)發(fā)生共振時(shí)，將產(chǎn)生局域化的、非傳播的局域表面等離子體共振(LSPR)現(xiàn)象。大量研究表明金屬納米粒子的光學(xué)特性特別是LSI^R頻率與金屬納米顆粒的組成成分、大小、外形和局域介電環(huán)境有著密切相關(guān)的聯(lián)系。因此，使得金屬納米粒子在新型傳感器，納電子及光子器件、表面增強(qiáng)光譜學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域都有著極為重要的應(yīng)用。在激發(fā)局域表面等離子體共振的金屬納米結(jié)構(gòu)制作方面，眾多微納加工手段已被應(yīng)用于金屬納米結(jié)構(gòu)的制備工藝上，例如電子束光刻(EBL)、聚焦離子束(FIB)、納米球光刻(NSL)等。電子束光刻和聚焦離子束雖然具有高分辨率、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，但其加工成本高、耗時(shí)。納米球光刻源于Fischer和Zingsheim在1981年提出的聚苯乙烯納米球自組裝。 美國西北大學(xué)Van Duyne等人利用此原理制備了不同結(jié)構(gòu)周期的金屬納米結(jié)構(gòu)陣列，并利用此金屬納米結(jié)構(gòu)陣列開展了大量的局域表面等離子體共振(LSPR)傳感和表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)探測研究。實(shí)驗(yàn)證明納米球光刻具有低成本、高產(chǎn)出、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。但在傳統(tǒng)的納米球光刻加工流程中，納米球的直徑直接決定了制備的納米粒子的尺寸大小和粒子間間隙的距離。因此，單一直徑的納米球只能得到單一尺寸及間隙的納米粒子，要獲得不同尺寸及間隙的納米粒子就需要選取不同直徑的納米球。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，通過結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕工藝和納米球光刻(NSL)技術(shù)，控制刻蝕氣體、氣流量、功率及時(shí)間，刻蝕單一直徑的納米球陣列制備可調(diào)諧的三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其特點(diǎn)在于步驟如下(1)根據(jù)透射波長的需要選擇基底，對基底進(jìn)行清洗、親水化處理；(2)在經(jīng)親水化處理后的基底表面均勻的自組裝一層納米球；所述納米球直徑為 200nm-500nm ；(3)采用反應(yīng)離子刻蝕工藝對制作的納米球自組裝層進(jìn)行刻蝕，改變納米球的間隙的尺寸大??；所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕氣體流量為5SCCM-50SCCM;所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕功率為5W-100W ；所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕時(shí)間為
330s 300s ；(4)利用刻蝕后的納米球自組裝作為模具，利用真空鍍膜機(jī)在2 3 X 10-4Pa的真空度下在模板表面沉積一層30nm-60nm厚的金屬膜，在球與球之間的間隙處填充金屬，填充金屬的厚度為20nm-60nm ；(5)通過Lift off工藝去除納米球自組裝層，僅留下球的間隙處的金屬，得到陣列化的金屬納米結(jié)構(gòu)芯片，且三角形金屬納米粒子陣列的相鄰粒子尖端之間的間隙
<20nm ；(6)利用光源照射芯片，再用光譜測試儀探測透射光獲得結(jié)構(gòu)的消光光譜曲線，分析其光學(xué)性質(zhì)。所述步驟(1)中的基底材料為可見光材料玻璃或石英。所述步驟O)中的納米球可為二氧化硅球、硅球或聚苯乙烯球。所述步驟(3)反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕氣體為氧氣、三氟甲烷、六氟化硫或四氟化碳。所述步驟中的金屬膜和填充的金屬為銀、金、鋁或銅。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)由于金屬納米粒子激發(fā)的電磁能量主要集中于粒子的尖角處，尖角越尖其能產(chǎn)生的表面等離子體共振就越強(qiáng)，因此采用本發(fā)明方法制作的三角形金屬納米粒子陣列尖角質(zhì)量比傳統(tǒng)方法制作的三角形金屬納米粒子陣列的高。(2)本發(fā)明制備的三角形金屬納米粒子陣列的相鄰粒子尖端之間的間隙可
<20nm，這樣可以提高相鄰三角形金屬納米粒子尖角處電磁能量的耦合，進(jìn)一步提高傳感靈敏度。(3)本發(fā)明制備的三角形技術(shù)納米粒子陣列的局域表面等離子體共振波長可調(diào)， 從可見光波段到近紅外波段。(4)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)金屬納米粒子的大面積制作，且重復(fù)性較高，且成本較低。(5)本發(fā)明制作的三角形金屬納米粒子陣列消光光譜峰值明顯，消光效率較傳統(tǒng)方法制作的三角形金屬納米粒子陣列的高。(6)本發(fā)明制作的金屬納米結(jié)構(gòu)芯片的光學(xué)性質(zhì)可控，可應(yīng)用于局域表面等離子體共振(LSPR)傳感、表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERQ探測領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)生物、化學(xué)分子的快速檢測。


圖1是可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制備流程示意圖；圖2是實(shí)例1中經(jīng)aiiin刻蝕時(shí)間所得到的三角形銀納米陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是實(shí)例2中經(jīng)^iin刻蝕時(shí)間所得到的三角形銀納米陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是實(shí)例3中經(jīng)2min30s刻蝕時(shí)間所得到的三角形銀納米陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是實(shí)例1中圖2結(jié)構(gòu)的消光光譜曲線；圖6是實(shí)例2中圖3結(jié)構(gòu)的消光光譜曲線；圖7是實(shí)例3中圖4結(jié)構(gòu)的消光光譜曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于以下實(shí)例，應(yīng)包含權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容。實(shí)施例1，利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)粒徑為130nm、相鄰粒子尖端之間的間隙為82nm、厚度為50nm的三角形銀納米陣列結(jié)構(gòu)的制作。(1)選擇尺寸為IOmmX 20mmX IOmm的K9玻璃作為芯片基底，對基底進(jìn)行清洗、親水化處理；(2)取直徑為430nm、濃度為10%的單分散聚苯乙烯納米球水溶液6 μ L滴到玻璃基底進(jìn)行自組裝，室溫干燥后得到單層排布的聚苯乙烯納米球陣列；(3)將已自組裝好的聚苯乙烯納米球用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)利用氧氣進(jìn)行刻蝕，功率為5W，氧氣流量20SCCM，刻蝕時(shí)間分別為aiiin ；(4)將經(jīng)過刻蝕處理后的聚苯乙烯納米球放入真空鍍膜系統(tǒng)的工作腔室，在 3 X IO-V的真空度下在其表面沉積一層銀膜，銀的純度為99. 99%，膜層厚度為50nm ；(5)通過Lift off工藝去除聚苯乙烯納米球及其表層金屬，僅留下球的間隙處的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)，得到陣列化的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖 2為經(jīng)aiiin刻蝕時(shí)間所得到的粒徑為130nm、相鄰粒子尖端之間的間隙為82nm的三角形銀納米陣列結(jié)構(gòu)；(6)將步驟(5)所制得的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)芯片置于透射光譜測試系統(tǒng)中，測試其消光光譜曲線，本例中采用的光源為LS-I鹵鎢燈光源(Ocean Optics，USA)，光譜儀為 USB4000 (Ocean Optics, USA)，測試曲線如圖5所示。圖5為經(jīng)2min刻蝕時(shí)間所得到的三角形銀納米陣列結(jié)構(gòu)的消光光譜曲線，峰值在677. Slnm處。實(shí)施例2，利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)粒徑為160nm、相鄰粒子尖端之間的間隙為36nm、厚度為50nm的三角形銀納米陣列結(jié)構(gòu)的制作。(1)選擇尺寸為IOmmX IOmmX IOmm的石英作為芯片基底，對基底進(jìn)行清洗、親水化處理；(2)取直徑為430nm、濃度為10%的單分散聚苯乙烯納米球水溶液6 μ L滴到玻璃基底進(jìn)行自組裝，室溫干燥后得到單層排布的聚苯乙烯納米球陣列；(3)將已自組裝好的聚苯乙烯納米球用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)利用氧氣進(jìn)行刻蝕，功率為5W，氧氣流量20SCCM，刻蝕時(shí)間分別為^iin ；(4)將經(jīng)過刻蝕處理后的聚苯乙烯納米球放入真空鍍膜系統(tǒng)的工作腔室，在 3 X 10-V的真空度下在其表面沉積一層銀膜，銀的純度為99. 99%，膜層厚度為50nm ；(5)通過Lift off工藝去除聚苯乙烯納米球及其表層金屬，僅留下球的間隙處的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)，得到陣列化的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。圖 3為經(jīng)^iin刻蝕時(shí)間所得到的粒徑為160nm、相鄰粒子尖端之間的間隙為36nm的三角形銀納米陣列結(jié)構(gòu)；(6)將步驟(5)所制得的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)芯片置于透射光譜測試系統(tǒng)中，測試其消光光譜曲線，本例中采用的光源為LS-I鹵鎢燈光源(Ocean Optics，USA)，光譜儀為 USB4000 (Ocean Optics, USA)，測試曲線如圖6所示。圖6為經(jīng)4min刻蝕時(shí)間所得到的三角形銀納米陣列結(jié)構(gòu)的消光光譜曲線，峰值在780. 22nm處。實(shí)施例3，利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)粒徑為140nm、相鄰粒子尖端之間的間隙為40nm、厚度為40nm的三角形銀納米陣列結(jié)構(gòu)的制作。(1)選擇尺寸為IOmmX IOmmX IOmm的石英作為芯片基底，對基底進(jìn)行清洗、親水化處理；(2)取直徑為430nm、濃度為10%的單分散聚苯乙烯納米球水溶液6 μ L滴到玻璃基底進(jìn)行自組裝，室溫干燥后得到單層排布的聚苯乙烯納米球陣列；(3)將已自組裝好的聚苯乙烯納米球用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)利用氧氣進(jìn)行刻蝕，功率為5W，氧氣流量20SCCM，刻蝕時(shí)間分別為anin30s ；(4)將經(jīng)過刻蝕處理后的聚苯乙烯納米球放入真空鍍膜系統(tǒng)的工作腔室，在 3 X IO-V的真空度下在其表面沉積一層銀膜，銀的純度為99. 99%，膜層厚度為40nm ；(5)通過Lift off工藝去除聚苯乙烯納米球及其表層金屬，僅留下球的間隙處的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)，得到陣列化的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。圖 4為經(jīng)^iin刻蝕時(shí)間所得到的粒徑為140nm、相鄰粒子尖端之間的間隙為40nm的三角形銀納米陣列結(jié)構(gòu)；(6)將步驟(5)所制得的三角形金屬納米結(jié)構(gòu)芯片置于透射光譜測試系統(tǒng)中，測試其消光光譜曲線，本例中采用的光源為LS-I鹵鎢燈光源(Ocean Optics，USA)，光譜儀為 USB4000 (Ocean Optics, USA)，測試曲線如圖7所示。圖7為經(jīng)4min刻蝕時(shí)間所得到的三角形銀納米陣列結(jié)構(gòu)的消光光譜曲線，峰值在689. 48nm處。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟如下(1)根據(jù)透射波長的需要選擇基底，對基底進(jìn)行清洗、親水化處理；(2)在經(jīng)親水化處理后的基底表面均勻的自組裝一層納米球；所述納米球直徑為 200nm-500nm ；(3)采用反應(yīng)離子刻蝕工藝對制作的納米球自組裝層進(jìn)行刻蝕，改變納米球的間隙的尺寸大?。凰龇磻?yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕氣體流量為5SCCM-50SCCM ；所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕功率為5W-100W ；所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕時(shí)間為 30s 300s ；(4)利用刻蝕后的納米球自組裝作為模具，利用真空鍍膜機(jī)在2 3X 10-4Pa的真空度下在模板表面沉積一層30nm-60nm厚的金屬膜，在球與球之間的間隙處填充金屬，所填充金屬的厚度為20nm-60nm ；(5)通過Liftoff工藝去除納米球自組裝層，僅留下球的間隙處的金屬，得到三角形金屬納米陣列化的金屬納米結(jié)構(gòu)芯片，且三角形金屬納米粒子陣列的相鄰粒子尖端之間的間隙< 20nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述步驟(1)中的基底材料為可見光材料玻璃或石英。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述步驟O)中的納米球可為二氧化硅球、硅球或聚苯乙烯球。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述步驟(3)反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕氣體為氧氣、三氟甲烷、六氟化硫或四氟化碳。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述步驟(4)中的金屬膜和填充的金屬為銀、金、鋁或銅。
全文摘要
一種可調(diào)諧三角形金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟(1)根據(jù)透射波長的需要選擇合適型號(hào)的基底，對基底進(jìn)行清洗、親水化處理；(2)在基底表面均勻的自組裝一層納米球；(3)采用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)RIE工藝對制作的納米球自組裝層進(jìn)行刻蝕，改變納米球的間隙的尺寸大??；(4)利用刻蝕后的納米球自組裝作為模具，在球與球之間的間隙處填充金屬；(5)通過Lift off工藝去除納米球自組裝層，得到陣列化的金屬納米結(jié)構(gòu)芯片。本發(fā)明制作的金屬納米結(jié)構(gòu)芯片的光學(xué)性質(zhì)可控，可應(yīng)用于局域表面等離子體共振(LSPR)傳感、表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)探測領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)生物、化學(xué)分子的快速檢測。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102180438SQ20111007531
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者李飛, 楊歡, 羅先剛, 高平 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所