在基底上製備六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒的方法
2023-11-09 19:20:27 2
專利名稱：在基底上製備六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒的方法
技術領域：
本發明涉及一種在基底上製備六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒的方法，屬於納米材料的製備和應用技術領域。
背景技術：
二維分立有序的納米金屬顆粒點陣在納米結構太陽電池，表面增強拉曼光譜研究、表面等離子體共振研究、有序納米材料製備等領域具有廣闊的應用前景。常規方法在基底上製備有序陣列，首先要得到單分散的金屬粒子，然後採用合適工藝對粒子進行有序化排布。但目前成功製備的單分散金屬納米粒子種類很少，且其尺寸和形狀不易控制，製備直徑大於30納米的單分散納米粒子十分困難。像氣相-液相-固相(VLS)生長法所需的金屬催化顆粒一般是由金屬薄膜高溫退火得到的，這樣得到的金屬顆粒直徑大小不一，且金屬顆粒分布隨機；雖然藉助光刻技術能夠解決該問題，但光刻技術成本較高，不便大規模採用。另有人採用反向多孔模板方法製備出了有序的金屬納米顆粒陣列，但在工藝過程中要結合反應離子刻蝕技術，整套實驗流程相對較為複雜。模板技術已在納米材料領域被廣泛使用，該技術能夠很好地控制納米材料的結構和形貌；物理氣相沉積(熱蒸發、磁控濺射、電子束蒸發等)是常見的制膜技術，該技術設備簡單，易於操作，工藝成熟；快熱退火工藝在材料科學中也被廣泛採用，通過快熱退火可以改變材料的性能和結構。作者採用如上所述的三種常見工藝和方法，在基底上成功製備出了有序排布的納米金屬顆粒。整套流程不需要昂貴的儀器和設備，操作簡單，具有廣闊的應用前景。
發明內容
本發明的目的是提出一種在基底上製備六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒的方法，將模板技術、物理氣相沉積和快熱退火工藝相結合，在覆蓋有六角密排微球模板的基底上，採用物理氣相沉積方法製備金屬薄膜，去除微球後得到有序排布的近三角形納米金屬顆粒點陣，在溫度低於基底和金屬的共熔點30-80°C下，對基底進行快熱退火處理，得到有序分布的近半球形納米金屬顆粒點陣。本發明提出的在基底上製備六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒的方法，包括以下步驟(1)採用物理氣相沉積方法，在帶有六角密排分布微球模板的基底上均勻沉積一層厚度為50納米 180納米的金屬薄膜；(2)在超聲氛圍下迅速晃動樣品，時間為2秒 10秒，去除基底上的微球，在基底上留有六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒陣列；(3)將留有金屬納米顆粒陣列的基底水平放入快熱退火爐中，在小於金屬和基底材料共熔點溫度30 80°C下，在惰性氣氛中，對基底進行快熱退火，退火時間為30 90 秒，在基底上得到具有六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒。
本發明提出的在基底上製備六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒的方法，具有以下優點1、本發明採用常規的微球模板技術，通過改變微球的直徑，可控制具有六角網絡點陣分布的金屬顆粒的密度。2、本發明採用常規的物理氣相沉積技術，例如蒸發和濺射，通過改變沉積的金屬膜厚，可控制金屬顆粒的大小。3、本發明通過選擇合適的金屬和基底材料，可以得到不同金屬的六角網絡點陣。4、本發明所用的設備成本較低，技術成熟，操作簡單，實驗周期較短。為批量化生產提供了可能。
圖1是本發明實施例所採用的帶有六角密排分布微球模板的基底的掃描電鏡圖。圖2是本發明實施例製備的去除模版後的附著在基底上的六角網絡點陣分布的三角形金屬銀納米粒子的掃描電鏡圖。圖3是本發明實施例製備的在基底上的具有六角網絡點陣分布的近球形金屬銀納米顆粒的掃描電鏡圖(金屬銀膜厚80納米)。圖4是本發明實施例製備的在基底上的具有六角網絡點陣分布的近半球形金屬銀納米顆粒的掃描電鏡圖(金屬銀膜厚150納米)。
具體實施例方式本發明提出的在基底上製備六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒的方法，包括以下步驟(1)採用物理氣相沉積方法，在帶有六角密排分布微球模板的基底上均勻沉積一層厚度為50納米 180納米的金屬薄膜；(2)在超聲氛圍下迅速晃動樣品，時間為2秒 10秒，去除基底上的微球，在基底上留有六角網絡點陣分布的近三角形金屬納米顆粒陣列；(3)將留有金屬納米顆粒陣列的基底水平放入快熱退火爐中，在小於金屬和基底材料共熔點溫度30 80°C下，在惰性氣氛中，對基底進行快熱退火，退火時間為30 90 秒，在基底上得到具有六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒。上述方法中，基底可以為單晶矽片、石英片或金屬薄片。上述方法中，金屬薄膜可以為與基底材料不同的金屬，如金、銀、鋁或鈦中的任何一種。以下介紹
具體實施例方式(1)在單晶矽片上製備六角密排分布的微球模板。製備模板所用的微球為常見的聚苯乙烯或者二氧化矽微球。本發明實施例中使用的聚苯乙烯微球模板在北京航空航天大學理學院材料物理和凝聚態物理中心採用提拉法製備；二氧化矽球模板在中國科學院研究生院光電子薄膜實驗室採用垂直自組裝法製備。微球模板的掃描電鏡圖如圖1所示。(2)將帶有微球模板的單晶矽片放入物理氣相沉積(熱蒸發)腔體中的基底架上， 將待蒸發的金屬銀放入加熱舟中，使真空度達到3X10_3帕後，緩慢增加蒸發電流到45安培，使金屬銀熔化，打開擋板，在基底上沉積一層厚度為50-180納米的金屬銀薄膜。本實施例分別製備了 80納米和150納米厚的銀膜。(3)從真空腔體中取出樣品，用鑷子夾住樣品放入四氫呋喃溶液中(聚苯乙烯模板)或者氫氟酸溶液中(二氧化矽模板)，在超聲氛圍下，立即快速晃動樣品2-10秒，除去微球模板，在基底上得到六角網絡點陣分布的近三角形金屬納米顆粒的排布，其掃描電鏡圖如圖2所示。(4)將上述帶有金屬銀納米顆粒陣列的基底水平放入快熱退火爐中，通入氮氣，在比金屬和基底材料共熔點溫度760°C低50°C的溫度下(710°C )，對基底進行快熱退火45 秒。退火參數如下45秒由室溫升溫710°C，在710°C保溫45秒，然後由710°C自然降溫至室溫。金屬金與矽的共熔點365°C，相應保溫的溫度為320°C左右，金屬鋁與矽的共熔點為 577°C，相應的保溫溫度為520°C左右。基底快熱退火後，即可得到六角網狀點陣分布的近半球形納米銀顆粒，分別如圖3和圖4所示，圖3是在基底上的六角網絡分布的近半球形納米金屬顆粒掃描電鏡圖(金屬膜厚80納米)。圖4是在基底上的六角網絡分布的近半球形納米金屬顆粒掃描電鏡圖(金屬膜厚150納米)。
權利要求
1.一種在基底上製備六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒的方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1)採用物理氣相沉積方法，在帶有六角密排分布微球模板的基底上均勻沉積一層厚度為50納米 180納米的金屬薄膜；(2)在超聲氛圍下迅速晃動樣品，時間為2秒 10秒，去除基底上的微球，在基底上留有六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒陣列；(3)將留有金屬納米顆粒陣列的基底水平放入快熱退火爐中，在小於金屬和基底材料共熔點溫度30 80°C下，在惰性氣氛中，對基底進行快熱退火，退火時間為30 90秒，在基底上得到具有六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於基底為單晶矽片、石英片或金屬薄片。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的金屬薄膜為與基底材料不同的金屬。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述的金屬薄膜為金、銀、鋁或鈦中的任何一種。
全文摘要
本發明涉及一種在基底上製備六角網絡點陣分布的金屬納米顆粒的方法，屬於納米材料的製備和應用技術領域。首先在帶有六角密排微球模板的基底上，採用物理氣相沉積方法製備一層金屬薄膜，快速去除模板後，得到有序排布的三角形金屬納米顆粒陣列，在溫度低於基底與金屬材料共熔點30-80℃以下，通入惰性氣體，對水平放置的基底進行快熱退火處理，在基底上即可得到六角網絡點陣分布的近半球形金屬納米顆粒。該方法流程簡單，工藝成熟，實現了金屬顆粒的密度和直徑可調，排布有序。在納米材料工程，新型能源開發等領域有著廣泛應用前景。
文檔編號B81C1/00GK102320557SQ201110268029
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月8日 優先權日2011年9月8日
發明者劉豐珍, 董剛強 申請人:中國科學院研究生院