[发明专利]一种全色结构色或可变色颜色图案阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及通过调节贵金属纳米孔阵列上下两个界面的环境介电常数来制备一种全色结构色或可变色颜色图案阵列的方法。

背景技术

基于贵金属纳微米结构的结构色具有颜色稳定、集成度高等优点，已经成为材料科学领域一个独立而重要的分支。同时，由于这种结构色来源于贵金属特有的表面等离子共振性质，使得结构颜色会随外界环境介电常数的改变而产生明显变化，从而在滤波、显示、光子纸以及安全防伪等领域有着广泛的应用。

在所有贵金属纳微米材料当中，贵金属纳米孔阵列由于具有特殊的光学异透性质，从而成为一种构筑结构色的重要材料。当白光入射到贵金属纳米孔阵列时，透过光颜色与纳米孔阵列的周期、周围环境介电常数等参数有关。在之前的相关报道中，人们主要是通过调控纳米孔阵列的周期等结构参数实现透过光颜色（即样品表观颜色）的改变，这就使得在构筑具有颜色图案阵列的样品时需要采用电子束（E-Beam）刻蚀、聚焦离子束（FIB）刻蚀等直写式技术。这些技术一方面成本昂贵，另一方面效率低下，不利于样品的大面积制备与实际应用。因此，急需发展一种新颖、成本低廉、可实现全色结构色以及颜色图案阵列的构筑方法，这对于基于贵金属纳微米结构的结构色的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种步骤简单、可大面积实现全色结构色或可变色颜色图案阵列的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：首先利用非紧密堆积的微球为模板结合金属沉积在玻璃载玻片基底上制备贵金属纳米孔阵列结构，随后通过溶胶凝胶法制备二氧化硅层包覆贵金属纳米孔阵列结构，最后以图案化的光刻胶为模板结合氢氟酸对二氧化硅层和玻璃载玻片基底的选择性刻蚀实现全色结构色以及颜色图案阵列的构筑。其原理在于，通过调控贵金属纳米孔阵列上表面的二氧化硅层厚度以及下表面玻璃载玻片基底的刻蚀状态，可以改变纳米孔阵列周围环境的介电常数，从而可以调控样品的透过峰峰位，并最终实现全色结构色样品的构筑。整个过程操作简便，成本低廉，过程低耗清洁，可控性高，所得样品具有非常好的机械稳定性。对于具有颜色图案阵列的样品，颜色图案由光刻胶模板的形貌所决定；而图案中每一区域的颜色则由该区域的环境介电常数（或刻蚀时间）所决定。利用我们的方法可以制备特征尺寸在1μm以上任意图案的颜色阵列结构，无论在科学研究中还是在实际应用中都具有重要的意义。

本发明所述的方法包括六个步骤：

1.玻璃载玻片基底的清洗及表面亲水化处理：将玻璃载玻片用丙酮超声清洗10～15min，再用无水乙醇超声清洗10～15min，然后烘干；再用酸性处理液（质量分数98%浓硫酸和质量分数30%过氧化氢的混合溶液，两种溶液的用量体积比是7：3）煮沸处理20～30min，然后经去离子水漂洗后在氮气或空气气氛下干燥，得到表面清洁及亲水化处理的玻璃载玻片基底。

2.基底表面聚苯乙烯单层微球的制备：将尺寸范围为300～1000nm的聚苯乙烯微球（聚苯乙烯微球的制备方法参见：J.H.Zhang,Z.Chen,Z.L.Wang,W.Y.Zhang,N.B.Ming,Mater.Lett.2003,57,4466.）离心清洗之后，用体积比为1～2.5：1的无水乙醇和去离子水混合溶液分散，得到质量百分浓度为0.5～2.0%的乳液；用注射器将50～100μL上述浓度的乳液缓慢的滴加到盛有去离子水的玻璃培养皿中，再滴加20～50μL质量百分浓度为2.0～8.0%的十二烷基硫酸钠的水溶液，从而在水面上得到紧密堆积的单层聚苯乙烯微球；最后用步骤1中得到的亲水基底将浮在水面上的聚苯乙烯单层微球捞起，自然干燥后，就得到了表面具有紧密堆积单层聚苯乙烯微球的基底样品。

3.基底表面贵金属纳米孔阵列的构筑：用反应性离子刻蚀将表面紧密堆积单层聚苯乙烯微球变为非紧密堆积单层聚苯乙烯微球，刻蚀功率为RF=20～60W、ICP=0～200W，腔体压力为5～15mTorr，氧气流量为40～60SCCM，刻蚀时间为5～15min，刻蚀后聚苯乙烯微球的直径减小为原尺寸的40～50%；然后在非紧密堆积聚苯乙烯微球的基底上依次垂直沉积1.5～2nm厚的铬和50～200nm厚的金或银（其中铬层起到粘附剂的作用，用于增强金或银层与基底的粘附力），再用氯仿除去聚苯乙烯微球及其表面沉积的金属，从而在基底上得到了大面积结构有序的贵金属纳米孔阵列。