[发明专利]一种表面粗糙的纳米阵列结构的制备方法

说明书

本发明涉及复合材料的微纳加工技术领域，公开了一种表面粗糙的纳米阵列结构的制备方法，包括以下步骤：通过自组装的方法制备有序的单层聚苯乙烯微球阵列；利用等离子体刻蚀技术对聚苯乙烯微球阵列进行刻蚀，使聚苯乙烯微球直径缩小；利用离子束轰击技术对刻蚀完成的聚苯乙烯微球阵列进行轰击，使聚苯乙烯微球表面变得粗糙；利用磁控溅射技术在轰击完成的聚苯乙烯微球阵列表面溅射纳米阵列结构材料，即获得表面粗糙的纳米阵列结构。通过本发明的制备方法获得的纳米阵列结构中，各纳米粒子表面粗糙，因而具有比表面积大、活性大、光散射增加的优点，且各纳米粒子体积小，整个纳米阵列结构周期性好，在应用上更具优势。

技术领域

本发明涉及复合材料的微纳加工技术领域，尤其涉及一种表面粗糙的纳米阵列结构的制备方法。

背景技术

高度有序的纳米阵列是以纳米颗粒、纳米线或纳米管为基本单元，采用物理和化学等方法在二维或三维空间构筑的纳米体系。高度有序的纳米阵列结构除具有一般纳米材料的性质外，它的量子效应突出，具有比无序的纳米材料更加优异的性能。纳米阵列结构很容易通过电、磁、光等外场实现对其性能的控制，从而使其成为设计纳米超微型器件的基础。目前，有序纳米结构材料已经在垂直磁记录、微电极束、光电元件、润滑、传感器、化学电源、多相催化、表面增强拉曼散射（SERS）等许多领域开始得到应用。相较于各纳米粒子表面光滑的纳米阵列结构而言，表面粗糙的纳米阵列结构由于比表面积大、活性大、光散射增加等特点，被广泛应用于表面增强拉曼散射（SERS）、新能源、纳米光子学等领域。

目前常通过化学方法来制备表面粗糙的纳米阵列结构，主要过程包括制备表面粗糙的纳米粒子和将纳米粒子组装成高度有序的纳米阵列结构。例如，申请号为CN201110120345.7的中国专利文献公开了基于金纳米星的表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法，包括以下步骤：（1）在100mL浓度为0.04M的N-(2-羟乙基)-哌嗪-N'-2磺酸水溶液中加入1M的氢氧化钠水溶液，用于将体系的pH调节至7.4，随后加入700L质量体积比浓度为1%的氯金酸水溶液，混匀后置于28℃水浴中静置反应1h，此过程中溶液的颜色变化为：浅黄色一无色一淡粉色一紫色一蓝色一蓝绿色，溶液颜色稳定不再发生变化表示反应终止，生成了组装基底所需要的星状金纳米颗粒溶液，将此溶液在紫外一可见一近红外分光光度计下进行表征，星状金纳米颗粒溶液应具有两个消光峰，其中一个在532±10nm，另外一个应在700±5nm；（2）将玻璃片切割成1cm×4cm大小的长条，清洗干净后竖直浸入到体积比为1%的3-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，密封后静置12h以获得氨基化的带有正电荷表面的玻璃片，氨基化完成后用无水乙醇清洗玻璃片3遍，70℃烘干，超纯水清洗3遍后烘干备用；（3）将步骤2中氨基化好的玻璃片竖直浸入步骤1制备的金纳米星溶液中，磁力搅拌6h，磁力搅拌的速度在300rpm到600rpm之间，随后用超纯水淋洗五遍以上，即可获得本发明所述的SERS活性基底。该发明通过静电自组装使金纳米星组装成SERS基底，通过该方法制备的纳米阵列结构周期性差，会影响其应用，例如，高度有序的SERS基底具有确定的几何形状和更高的拉曼增强，这些都是常规测量痕量分析物所必需的条件，并且，周期性差也将导致在SERS基底各处检测到的信号强度不同，影响SERS检测的准确性和重复性。

此外，静电纺丝方法也能制备表面粗糙的纳米阵列结构。例如，申请号为CN201910325424.8的中国专利文献公开了一种单向静电纺丝三维拉曼增强基底及其制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：银胶溶液与聚乙烯醇水溶液混合，通过静电纺丝方法制备得到聚乙烯醇银纳米颗粒纺丝基底，在PVA@Ag nanofibers纺丝基底的表面通过热蒸镀的方法沉积银纳米颗粒，得到聚乙烯醇银纳米颗粒/银纳米颗粒拉曼增强基底。通过这种静电纺丝和蒸镀的方法制备表面粗糙的纳米阵列，其纺丝基底中各纤维之间的排布周期性较差，且各纤维结构尺寸大，这些都会影响纳米阵列结构的性质和应用，例如，当用作SERS基底时，各纤维结构尺寸大将导致激光照射范围内缝隙少，因而信号弱，会影响SERS检测的灵敏度。

发明内容