一種超小間距納米棒陣列的製備方法與流程
2023-09-18 10:50:01
本發明涉及納米材料製備技術領域，更具體地說是一種超小間距納米棒陣列的製備方法。
背景技術：
具有超小間距納米棒陣列的材料因為其優異的物理特性一直以來都是人們用來製備功能納米器件優異材料。比如人們發現金屬納米陣列由於超小的陣列間距，因此產生的強烈的單體耦合增強局域電場，從而使得人們在該體系實現了納米雷射器的製備。又比如，人們利用具有超小間距納米棒陣列製備拉曼增強基底，提高生化探測的靈敏度。
目前，人們主要通過電子束曝光、離子束刻蝕等昂貴複雜的大型物理設備來加工製備超小間距納米棒陣列。然而，這些大型設備具有成本昂貴、製作工序複雜且所得樣品面積較小的缺點，不利於超小間距納米棒陣列真正的工業化應用。因此，如何開發全新製備方法來高效地製備超小間距納米棒陣列是納米材料製備領域的一個關鍵核心問題。
技術實現要素：
為了克服以上現有技術的不足，本發明提供一種簡便、低成本、高效率的超小間距納米棒陣列的製備方法。
為解決現有技術問題，本發明採用的技術方案是：
一種超小間距納米棒陣列的製備方法，包括以下步驟：
（1）將厚度為1-3mm鋁片放入丙酮溶液浸泡5-15min，然後放入濃度為0.5-1.5mol/L的氫氧化鈉溶液浸泡5-15min，最後放入酒精浸泡5-15min；
（2）將酒精浸泡之後的鋁片放入高氯酸和酒精體積比為15-35%的溶液，利用10-30V的電壓電化學拋光2-6min，拋光溫度為0-4℃；
（3）將拋光後的鋁片放入濃度為0.1-0.3 mol/L的草酸溶液中進行第一次氧化處理，鋁片做陽極，鉑片做陰極，氧化電壓為30-50V，氧化時間為2-8小時，反應溫度為4-8℃；
（4）將第一次氧化處理後的鋁片放入鉻酸、磷酸和蒸餾水的混合溶液中進行刻蝕，混合溶液的溫度為45-75℃，刻蝕時間為60-90min；
（5）將刻蝕後的鋁片放入質量分數為10%的磷酸溶液中進行第二次氧化處理，鋁片做陽極，鉑片做陰極，氧化溫度為15℃，處理過程分為兩個階段，第一階段氧化電壓為40V，第一階段氧化時間為3min，第二階段氧化電壓為80V，第二階段氧化時間為2h；
（6）經過第二次氧化處理後形成多孔氧化鋁模板，利用濺射儀在多孔氧化鋁模板表面濺射得到超小間距納米棒陣列，濺射電流為5-100mA，濺射時間為50-300s。
進一步的，步驟（4）中混合溶液的鉻酸質量分數為1-3%，磷酸質量分數為4-8%。
進一步的，步驟（6）中多孔氧化鋁模板厚度為200-1000nm，多孔氧化鋁模板表面均勻分布納米柱。
進一步的，步驟（6）中濺射儀採用的靶材為金、銀、鉑或鋁靶。
進一步的，步驟（6）中超小間距納米棒陣列的納米棒大小和高度一致且分布均勻。
與現有技術相比，本發明具有的優點和有益效果如下：
1.通過在陽極氧化鋁模板上濺射材料就可以得到的具有超小間距納米棒陣列，該方法能夠具有製備簡單、成本低、製備環境友好、樣品面積大等優勢；
2.所得納米棒陣列能夠非常容易集成製備光電探測晶片，同時由於納米棒之間強烈的耦合作用，該光電探測晶片將基於金屬材料的熱電子形成光電流，而不是傳統的半導體材料的電子空穴隊，因此探測波長不依賴於能帶結構，能夠在紅外光電探測器的製備中發揮優勢。
附圖說明
附圖1為本發明樣品製備過程的形貌變化圖。
附圖2為本發明超小間距納米棒陣列的表面形貌圖。
附圖3為本發明的相鄰納米棒間距的統計分布圖。
附圖4為本發明銀、鉑、鋁和TiO2超小間距納米棒陣列的表面形貌圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明做進一步的解釋說明。附圖僅用於示例性說明，不能理解為對本發明的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小；對於本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。
一種超小間距納米棒陣列的製備方法，包括以下步驟：
（1）將厚度為1-3mm鋁片放入丙酮溶液浸泡5-15min，然後放入濃度為0.5-1.5mol/L的氫氧化鈉溶液浸泡5-15min，最後放入酒精浸泡5-15min；
（2）將酒精浸泡之後的鋁片放入高氯酸和酒精體積比為15-35%的溶液，利用10-30V的電壓電化學拋光2-6min，拋光溫度為0-4℃；
（3）將拋光後的鋁片放入濃度為0.1-0.3 mol/L的草酸溶液中進行第一次氧化處理，鋁片做陽極，鉑片做陰極，氧化電壓為30-50V，氧化時間為2-8小時，反應溫度為4-8℃；
（4）將第一次氧化處理後的鋁片放入鉻酸、磷酸和蒸餾水的混合溶液中進行刻蝕，混合溶液的溫度為45-75℃，刻蝕時間為60-90min；
（5）將刻蝕後的鋁片放入質量分數為10%的磷酸溶液中進行第二次氧化處理，鋁片做陽極，鉑片做陰極，氧化溫度為15℃，處理過程分為兩個階段，第一階段氧化電壓為40V，第一階段氧化時間為3min，第二階段氧化電壓為80V，第二階段氧化時間為2h；
（6）經過第二次氧化處理後形成多孔氧化鋁模板，利用濺射儀在多孔氧化鋁模板表面濺射得到超小間距納米棒陣列，濺射電流為5-100mA，濺射時間為50-300s。
本實施例中，樣品製備過程中的形貌變化如圖1所示。步驟（1）中所採用的鋁片厚度為0.2cm，將鋁片先後放入丙酮、1.5mol/L的氫氧化鈉溶液以及酒精溶液各浸泡清洗15min；將酒精浸泡之後的鋁片放入高氯酸和酒精體積比為30%溶液，利用20V的電壓，電化學拋光6min，鋁片接陽極，鉑片做陰極，拋光溫度為0℃。
拋光之後的鋁片進行第一次陽極氧化，電解液採用0.3 mol/L的草酸溶液，生長電壓為45V，鋁片連接陽極，鉑片做陰極，氧化時間4-8小時，反應溫度為4℃。第一次氧化之後鋁片放入鉻酸、磷酸和蒸餾水的混合溶液（鉻酸質量分數為1.8%，磷酸質量分數為6%），保持在60℃溫度60min，除去第一次氧化生產的氧化鋁。然後將刻蝕之後鋁片放入電解池，電解液採用質量分數為10%的磷酸溶液，生長電壓為40V，持續3min後把電壓迅速調大至80V，再保持2小時。鋁片連接陽極，鉑片做陰極，氧化溫度為15℃左右。生成表面有納米柱的特殊氧化鋁模板。
將反應後的氧化鋁模板放入濺射儀，選用Au作為濺射靶材，採用60mA的濺射電流，濺射60s，從而便可形成金納米棒陣列結構。
如圖2和圖3所示，可以看到，金納米棒大小和長度都很均一，分布也很均勻，形貌很好，金納米棒陣列中相鄰納米棒的平均間距為5.7納米。
如圖4所示，在其它實施例，可以採用銀、鉑、鋁或TiO2靶材。圖4a為銀納米棒陣列的掃描電鏡照片，濺射電流為60mA，濺射時間為40-100s；圖4b為鉑納米棒陣列的掃描電鏡照片，濺射電流為5mA，濺射時間為300-500s；圖4c為鋁納米棒陣列的掃描電鏡照片，濺射電流為5mA，濺射時間為300-500s；圖4d為TiO2納米棒陣列的掃描電鏡照片，濺射電流為100mA，濺射時間為40-100s。
以上所述，僅是本發明的幾個實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬於本發明技術方案的範圍內。