[发明专利]一种具有电磁场增强性能的连续月牙型纳微结构及其制备方法

摘要

一种具有电磁场增强性能的连续月牙型纳微结构及其制备方法，属于纳微结构制备技术领域。本发明采用纳米切割技术、物理气相沉积技术、胶体自组装技术以及等离子体刻蚀技术。整个过程操作简便，低耗清洁，可控性高。基于胶体刻蚀和纳米切割，可以制备不同形貌的连续月牙型纳微结构；同时结合多次金属沉积，控制沉积间隔层厚度，制备一系列不同间隙尺寸的连续月牙型纳米间隙结构；通过控制沉积的方向及沉积次数，从而实现连续对月牙型纳米线和连续对月牙型纳米间隙结构的制备。这种简单高效、低成本制备的连续月牙型纳微结构，具有更密集的热点，使电磁场显著增强，可以运用到新型的光学器件和电学器件等实际应用中。

主权项

1.一种具有电磁场增强性能的连续月牙型纳微结构的制备方法，其步骤如下：1)取亲水处理过的硅基底，水平放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角为0～50°，在5×10^‑4～1×10^‑3Pa的真空度下进行热蒸发沉积铬膜，沉积速度为沉积厚度为1～10nm；2)用一次性注射器吸取0.1～0.5mL、直径0.3～5μm的疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液，滴加到盛有去离子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球在空气‑去离子水的气液界面排列为单层，再加入50～200μL、浓度1～10wt％的十二烷基磺酸钠表面活性剂使聚苯乙烯微球彼此紧密排列；用沉积铬膜的硅基底从单层聚苯乙烯微球底部将紧密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放于斜面上自然干燥，从而在硅基底上得到二维有序的单层聚苯乙烯微球阵列；3)将步骤2)得到的硅基底水平放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角为0～50°，在5×10^‑4～1×10^‑3Pa的真空度下进行热蒸发沉积金膜，沉积速度为沉积厚度为50～150nm；将环氧树脂预聚体和固化剂按体积比15：2～2.5混合后涂覆在沉积有金膜的聚苯乙烯微球表面，静置1～3h后再置于温度为60～100℃的烘箱中固化3～10h，揭起环氧树脂使金覆盖的聚苯乙烯微球阵列从硅基底上剥离，得到嵌入环氧树脂中的金覆盖聚苯乙烯微球阵列模板；4)将步骤3)制得的模板垂直于聚苯乙烯微球阵列晶格方向切割成条状，条宽0.5～3mm，然后将切割后得到的条状模板再包埋在环氧树脂中，50～80℃条件下固化3～6h，沿垂直于条状的方向进行切片，切割速度为0.6～1.2mm/s，得到的超薄树脂片的厚度为80～200nm，长度为0.5～3mm；然后用镀有40～200nm金膜的基底进行收集，使超薄树脂片平铺在金膜上，再在50～80℃下加热5～30min，提高超薄树脂片与金膜的粘附力；5)将步骤4)制得的样品置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为5～10mTorr，刻蚀温度10～20℃，氧气流速10～50sccm，刻蚀功率200～300W的条件下刻蚀10～30min，以完全除去环氧树脂和聚苯乙烯微球，从而在镀有金膜的基底上得到连续月牙型的金纳米线结构；6)将步骤2)制得的基底水平放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角为0～50°，在5×10^‑4～1×10^‑3Pa的真空度下热蒸发沉积金/间隔层/金三层膜结构，沉积速度为两层金的沉积厚度均为50～150nm，间隔层的沉积厚度为2～20nm；将环氧树脂预聚体和固化剂按体积比15：2～2.5混合后涂覆在沉积有金/间隔层/金三层膜的聚苯乙烯微球表面，静置1～3h后，置于温度为60～100℃的烘箱中固化3～10h，揭起环氧树脂使金/间隔层/金三层膜覆盖的聚苯乙烯微球阵列从硅基底上剥离，得到嵌入环氧树脂中的金/间隔层/金三层膜覆盖的聚苯乙烯微球阵列模板；7)再将步骤6)得到的模板垂直聚苯乙烯微球阵列晶格方向切割成条状，条宽0.5～3mm，然后将条状模板包埋在环氧树脂中，50～80℃条件下固化3～6h，再沿垂直于条状的方向进行切片，切割速度为0.6～1.2mm/s，得到的超薄树脂片的厚度为80～200nm，长度为0.5～3mm；然后用镀有40～200nm金膜的基底进行收集，使超薄树脂片平铺在金膜上，再在50～80℃下加热5～30min，提高超薄树脂片与金膜的粘附力；8)采用酸刻蚀或者反应性等离子体刻蚀的方法除掉间隔层材料，再将样品置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为5～10mTorr，刻蚀温度10～20℃，氧气流速10～50sccm，刻蚀功率200～300W的条件下刻蚀10～30min，以完全除去环氧树脂和聚苯乙烯微球，从而在镀有金膜的基底上得到间隙尺寸为2～20nm的连续月牙型金纳米间隙结构；9)用胶带揭起步骤3)制得的金覆盖的聚苯乙烯微球阵列基底，然后水平倒置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角为0～50°，在5×10^‑4～1×10^‑3Pa的真空度下进行热蒸发沉积金，沉积速度为沉积厚度为50～150nm；将环氧树脂预聚体和固化剂按体积比15：2～2.5混合后涂覆在双面沉积有金膜的聚苯乙烯微球表面，静置1～3h后，置于温度为60～100℃的烘箱中固化3～10h，揭起环氧树脂使双面有金膜覆盖的聚苯乙烯微球阵列从硅基底上剥离，得到嵌入环氧树脂中的双面有金膜覆盖的聚苯乙烯微球阵列模板；10)再将步骤9)得到的模板垂直聚苯乙烯微球阵列晶格方向切割成条状，条宽0.5～3mm，然后将条状模板包埋在环氧树脂中，50～80℃条件下固化3～6h，再沿垂直于条状的方向进行切片，切割速度为0.6～1.2mm/s，得到的超薄树脂片的厚度为80～200nm，长度为0.5～3mm；然后用镀有40～200nm金膜的基底进行收集，使超薄树脂片平铺在金膜上，再在50～80℃下加热5～30min，提高超薄树脂片与金膜的粘附力；11)将样品置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为5～10mTorr，刻蚀温度10～20℃，氧气流速10～50sccm，刻蚀功率200～300W的条件下刻蚀10～30min，以完全除去环氧树脂和聚苯乙烯微球，从而在镀有金膜的基底上得到连续对月牙型金纳米线结构；12)用胶带揭起步骤6)制得的金/间隔层/金三层膜覆盖的聚苯乙烯微球阵列基底，将其水平倒置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角为0～50°，在5×10^‑4～1×10^‑3Pa的真空度下进行热蒸发沉积金/间隔层/金三层膜结构，沉积速度为两层金的沉积厚度均为50～150nm，间隔层的沉积厚度为2～20nm；将环氧树脂预聚体和固化剂按体积比15：2～2.5混合后涂覆在双面沉积有金/间隔层/金三层膜的样品表面，静置1～3h后，置于温度为60～100℃的烘箱中固化3～10h，揭起环氧树脂使双面有金/间隔层/金三层膜覆盖的聚苯乙烯微球阵列从硅基底上剥离，得到嵌入环氧树脂中双面有金/间隔层/金三层膜覆盖的聚苯乙烯微球阵列模板；13)再将步骤12)得到的模板垂直聚苯乙烯微球阵列晶格方向切割成条状，条宽0.5～3mm，然后将条状模板包埋在环氧树脂中，50～80℃条件下固化3～6h，沿垂直于条状的方向进行切片，切割速度为0.6～1.2mm/s，得到的超薄树脂片的厚度为80～200nm，长度为0.5～3mm；然后用镀有40～200nm金膜的基底进行收集，使超薄树脂片平铺在金膜上，再在50～80℃下加热5～30min，提高超薄树脂片与金膜的粘附力；14)采用酸刻蚀或者反应性等离子体刻蚀的方法除掉间隔层材料，再将样品置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为5～10mTorr，刻蚀温度10～20℃，氧气流速10～50sccm，刻蚀功率200～300W的条件下刻蚀10～30min，以完全除去环氧树脂和聚苯乙烯微球，从而在镀有金膜的基底上得到间隔2～20nm的连续对月牙型金纳米间隙结构。