[发明专利]一种具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属颗粒的制造方法，具体涉及一种具有纳米级间隙的金属颗粒制造方法。

背景技术

局域表面等离子体效应可以使入射光场局域在金属纳米颗粒的尖端或者很小的间隙内，这个效应可广泛应用于非线性效应的增强、表面增强拉曼散射、荧光增强、高灵敏度传感器等方面。当两个金属纳米结构间距很近时，会发生强烈的近场耦合，在两颗粒之间的间隙内，场强得到极大的增强，通常这个增强倍数会比单个颗粒的增强效果更佳显著。金属纳米颗粒之间的间距越小，场强增强的倍数越大，因此发展具有纳米级(10nm及以下)间隙的金属颗粒制造技术十分重要。

目前，制备10nm及以下间隙的常用方法主要有阴影沉积技术、牺牲层技术等。结合电子束光刻和阴影沉积银，Theiss制备出间距为1nm的银颗粒对阵列(Theiss,J.et al.,Plasmonic Nanoparticle Arrays with Nanometer Separation for High-Performance SERS Substrates.Nano Letters,2010.10(8):p.2749-2754.)。但在阴影沉积技术中，沉积过程中金属原子的发散和沉积掩模的制备精度问题，容易造成纳米级间隙的堵塞，因而所制备结构的精确度差，制备难度较大，重复性差；Im把原子层沉积技术(ALD)制备的超薄氧化铝层作为牺牲层，制备出宽度为5～20nm的连续的纳米间隙结构(Im,H.et al.,Vertically Oriented Sub-10-nm Plasmonic Nanogap Arrays.Nano Letters,2010.10(6):p.2231-2236.)。但这种方法制备工艺复杂，且成本较高。

另外，目前绝大部分的结构被制备出来以后，其光学性质也已固定。尽管这些固定的光学性质可以应付集成光子学中的传导、传感和增强等被动功能，但在调谐、调制、开关等主动功能方面却无能为力。

发明内容

鉴于上述问题，本发明是的目的是提供一种具有纳米级间隙的金属颗粒及其制造方法，通过对制备有金属纳米颗粒阵列的弹性衬底的拉伸，改变衬底上金属颗粒阵列的周期，可以实现10nm及以下的金属纳米间隙；另外，在这种方法中，通过对金属颗粒阵列的相对位置的调控，还可以实现对该结构透射、反射或吸收峰等光学模式的动态调谐。该方法具有低成本、高效率、可大批量生产同时精度高的优点。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

一种具有纳米级间隙的金属阵列制造方法，其包括以下步骤：

步骤一：制备具有纳米级平整度的弹性衬底；

步骤二：在所述弹性衬底表面形成周期性排列的金属颗粒；

步骤三：在弹性衬底的两侧分别向外施加拉力，则在垂直于拉力的方向上衬底收缩，相应的，在垂直于拉力的方向上金属颗粒间距减小，在一定拉伸长度下，金属颗粒阵距减小至10nm及以下。

步骤一中，获得纳米级平整度的弹性衬底方法为：

利用抛光后材料的平整表面，将弹性衬底前驱体混合并涂覆于所述抛光后材料的表面，通过除气泡处理后，将所述弹性衬底前驱体固化；

然后将弹性衬底切割成需要的尺寸，并从所述抛光后材料的表面取下。则与所述抛光后材料表面接触的弹性衬底表面具有纳米级平整度。

可选的，在将前驱体混合并涂覆于所述抛光后材料的表面之前，还包括：在所述抛光后材料的表面吸附脱模剂的步骤。

优选的，所述弹性衬底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，获得纳米级平整度的弹性衬底方法为：利用抛光后硅片的平整表面，将制备PDMS的前驱体(包括主体和固化剂)混合并搅拌均匀，然后涂覆于硅片表面，通过在真空皿中抽真空除掉气泡后，将涂覆了PDMS前驱体的硅片放置于烤箱中烘烤至固化；

然后，将弹性衬底切割成需要的尺寸，并从硅片表面取下，得到具有纳米级平整度的PDMS衬底。其中，烘烤温度优选为60-80℃，烘烤时间优选为小于2.5小时，过长的烘烤时间或加热温度会降低PDMS的弹性，导致拉伸效果降低。

步骤二中，弹性衬底表面形成周期性排列的金属颗粒可以按照以下步骤实现：

21)在对所述弹性衬底表面进行改性处理，使其表面为亲水性；

22)在改性后的弹性衬底表面涂覆光刻胶，进行烘烤处理，然后利用激光干涉曝光和显影，在光刻胶表面形成孔阵列；

23)在上述样品表面，利用磁控溅射制备金属薄膜；

24)剥离光刻胶及其上部的金属层，形成弹性衬底上的金属颗粒阵列。