[发明专利]一种金纳米块阵列的制备方法及其折射率传感器

说明书

本发明涉及一种金纳米块阵列的制作方法及其折射率传感器的制备，涉及微纳尺度的制备及微纳光学，属光信息领域；提出了一种金纳米块阵列的制备方法，将负载了聚电解质层的金薄膜浸入含有所述金纳米块的去离子水溶液中；去离子水溶液中的金纳米块通过静电场引力吸附于所述聚电解质层表面，从而得到金纳米块阵列；实现了金纳米块的边长、金纳米块阵列的占空比、聚电解质层的厚度的可控加工；由于在制备过程未使用任何微纳加工或精密控制设备，制备成本相较其他方法要低；本方案制备的折射率传感器利用该结构激发等离子激元共振，利用峰位随背景折射率变化而出现明显移动实现了对环境折射率的传感探测，金材质的稳定性保证了该传感器的性能稳定。

技术领域

本发明涉及一种金纳米块阵列的制作方法及其折射率传感器的制备，涉及微纳尺度的制备及微纳光学，属光信息领域。

背景技术

近年来，金属微纳结构及其光学性能引起了学术和产业界的极大关注，其在传感、光电探测、光电能量转换与催化等领域表现出良好的应用前景。其中，金属微纳结构阵列表现出可调制的光学性能，通过改变金属微纳结构的形状、尺寸和周期等均可调制光反射或吸收谱的特征峰位，进而可用于传感或特定波长的探测。Maiken H.Mikkelsen等在金薄膜基底上排列胶体的银纳米块，并在银纳米块与金薄膜基底之间引入纳米量级的聚合物隔离层，在可见光到近红外波段观测到了可调的窄带完美吸收(Gleb M.Akselrod,JianiHuang,Thang B.Hoang,Patrick T.Bowen,Logan Su,David R.Smith,and MaikenH.Mikkelsen，Large-Area Metasurface Perfect Absorbers from Visible to Near-Infrared，Advanced Materials,2015,27,8028–8034)。吴绍龙等利用自组装的聚苯乙烯微米球阵列为模板制备出金纳米孔阵列薄膜，将其与超薄介质层覆盖的金薄膜耦合，可以得到带宽仅为4nm的超低反射峰，且该峰位随背景折射率的变化而出现明显移动(中国专利申请号：201711291796.0)。

目前基于金属微纳结构激发的等离子共振现象来实现折射率传感的装置都涉及特定形貌化金属。为了得到该结构，要么采用“自上而下法”对金属薄膜或块体进行微纳雕刻，要么对“自下而上法”法合成的特性形貌的金属微纳颗粒进行特定的排列。前一种方法需要使用成本昂贵而加工低效的微纳加工设备(如聚焦离子束加工系统、电子束光刻系统)，难以实现大面积的金属微纳结构阵列的制备。后一种方法一般先通过溶液法合成金属纳米颗粒，而后对所合成的金属纳米颗粒进行排布而得到阵列结构。目前，后一种方法可以制得银纳米块阵列，但银纳米颗粒在溶液和空气的稳定性都很差，其构筑的折射率传感器的测试结果不稳定。

发明内容

本发明为解决现有技术中金属微纳结构制作困难的技术问题，采用的技术方案如下：

一种金纳米块阵列的制备方法，先使用溶液法合成金纳米块，将负载了聚电解质层的金薄膜浸入含有所述金纳米块的去离子水溶液中；去离子水溶液中的金纳米块通过静电场引力吸附于所述聚电解质层表面，从而得到金纳米块阵列。

所述金纳米块的几何形貌为立方块，其与聚电解质层为面接触(而非点或线接触)。由于金纳米块与聚电解质层为面接触，单个金纳米块/聚电解质层/金薄膜之间可形成一个具有一定面积的光学谐振腔。金纳米块阵列分布于负载了聚电解质层的金薄膜上相当于构筑了数量庞大的光学谐振腔。这些光学谐振腔可以诱导等离子共振，从而使得共振波长处的反射较其他波长处要低很多。

上述方案中溶液法合成金纳米块的步骤为：先用溶液法合成金纳米棒，对所得金纳米棒进行迭代化学精化处理后，最终可得到边长为50～150nm的金纳米块；金纳米块从反应液中离心出来后，分散于去离子水中以备用。