[发明专利]一种石墨烯辅助制备大面积金属纳米颗粒阵列的工艺方法

说明书

一种石墨烯辅助制备大面积金属纳米颗粒阵列的工艺方法，属于微纳加工领域。本发明在传统工艺的基础上，首先采用表面周期性处理工艺，在衬底101表面制备出一个个纳米柱106，其目的是将金属原子102的注入区域分隔开，转移石墨烯105并退火，退火过程中金属原子102团聚成金属纳米颗粒103。石墨烯105起到了完美的阻挡层作用，阻止金属原子102的蒸发。因此，退火温度可以远高于传统工艺中的退火温度。此外，表面周期性处理使得金属纳米颗粒呈现规则排列，这样能够获得结构排列可调的金属纳米颗粒阵列。同时，制备出的石墨烯被金属纳米颗粒保护，阻隔其与空气的接触，有效保证了金属纳米颗粒的长期性质稳定。

技术领域

本发明涉及一种金属纳米颗粒阵列制备工艺，属于微纳加工领域。

背景技术

金属纳米结构具有表面等离子体效应，其主要原因是金属内部与表面存在大量自由电子,形成自由电子气团,即等离子体(plasmon)。金属纳米结构的表面等离子体光学在光催化、光学传感、生物标记、医学成像、太阳能电池,以及表面增强拉曼光谱等领域有广泛的应用前景,这些功能也和金属纳米结构与光相互作用时产生的表面等离子体共振密切相关。

金属纳米颗粒是金属纳米结构中的一种，通过设计金属纳米颗粒的直径、间距和周期即可实现相应的一些光学功能。目前，金属纳米颗粒的制备方法有许多，如：纳米压印、电子束曝光、溅射退火、化学合成、金属离子注入并退火。其中，金属离子注入并退火是目前常用的一种金属纳米颗粒的制备方法之一。它的工艺流程大体如下：步骤1、如图1所示，准备金属离子注入所需的衬底101，该衬底可以是绝缘衬底或者半导体衬底；步骤2、如图2所示，进行金属离子注入，将金属原子102注入进入衬底101内部；步骤3、如图3所示，得到注入后的衬底101，其内部有金属原子102；步骤4、如图4所示，进行退火，退火过程中，金属原子102会发生团聚，聚合成为金属纳米颗粒103；步骤5、如图5所示，最终在衬底101内部及表层得到金属纳米颗粒103。该方法可以实现大面积的金属纳米颗粒的制备，同时，由于制备过程中引入了退火工艺，获得的金属纳米颗粒的晶格质量会比较好。但是，目前该方法仍存在以下一些问题：

1)退火温度不能太高，否则会导致金属原子析出衬底表面后蒸发，造成金属原子的流失。而退火温度低造成的结果就是获得金属纳米颗粒的直径偏小，难以得到大尺寸金属纳米颗粒。

2)得到的金属纳米颗粒的排列是无序、随机的，导致难以实现可控制备金属纳米颗粒。

3)对于一些易氧化的金属，如铜、银等，制备出的金属纳米颗粒缺少有效保护，容易被氧化，导致金属纳米颗粒失效。

目前，针对上述问题尚无行之有效的解决方法。

发明内容

本发明的目的是提供了一种石墨烯辅助制备大面积金属纳米颗粒阵列的工艺方法。该方法在离子注入并退火制备金属纳米颗粒的方法基础上，首先，采用一种称之为“表面周期性处理”的方法对注入金属原子后的衬底表面进行干法刻蚀处理，在衬底表面制备出一个个周期性紧密排列的纳米柱，其目的是将金属原子的注入区域分隔开。之后，我们在衬底表面转移一层石墨烯(石墨烯是由碳原子以sp2杂化组成的单原子层二维薄膜材料)，引入石墨烯作为金属原子阻挡层，阻止退火过程中金属原子的蒸发。最终，通过退火可以在衬底表面得到周期排列的规则的金属纳米颗粒阵列。所得到的金属纳米颗粒的直径和排列周期可调。该方法解决了目前金属离子注入并退火制备金属纳米颗粒所存在的所有问题，实现了金属纳米颗粒的可控大面积周期性制备。

具体工艺步骤如下：

S1，准备金属离子注入所需的衬底101；如图1所示。

S2，采用金属离子注入的方式，将金属原子102注入到衬底101面内部浅表层，金属原子102的注入深度控制在衬底的浅表层距离表面的高度＜100nm；如图2所示；

S3—S5步骤统称为对衬底进行表面周期性处理。