一種具有光學(xué)增透功能的中空納米錐陣列膜的制備方法
【專利摘要】一種具有光學(xué)增透功能的中空納米錐陣列薄膜的制備方法，屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】。本方法涉及到掩模遮蔽技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)以及一些組裝和刻蝕方面的技術(shù)。整個過程操作簡便，過程低耗清潔，可控性高。通過控制微球的尺寸和不同的刻蝕時間等條件，可以制備不同周期和高度的中空納米錐陣列。由于錐尖端和下部孔之間的相互作用，可以使光很容易的穿透連續(xù)的厚的金屬膜，產(chǎn)生奇異的光學(xué)增透功能。利用我們的方法制備的中空納米錐陣列膜制備成本低，可以應(yīng)用于新型的光學(xué)器件中。
【專利說明】一種具有光學(xué)增透功能的中空納米錐陣列膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有光學(xué)增透功能的中空納米錐陣列薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在普遍意義上，自然光只能透過穿孔的金屬材料和薄的金屬膜，而會被連續(xù)(無孔)的厚的金屬膜阻擋。如果光能透過連續(xù)(無孔)的厚的金屬膜，那將會催生出很多新型的應(yīng)用和光學(xué)器件的產(chǎn)生。所以有很多研究組都在致力于得到可以讓自然光透過的連續(xù)的厚的金屬膜。隨著研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)當(dāng)光照射到金屬表面的時候，金屬表面會產(chǎn)生表面等離子體，與光產(chǎn)生共振，具有一定的增透作用[I]。當(dāng)金屬膜夾在兩個電解質(zhì)層中間時，金屬膜上下表面的等離子體共振不能相互耦合，只能產(chǎn)生很弱的透射作用[2]。
[0003]隨后科學(xué)家們理論分析了具有山脊光柵狀的結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更有效率的等離子體共振，可以產(chǎn)生更強的透射強度[3]。但是目前還很缺乏對這個領(lǐng)域更深入的研究，缺少實驗上的結(jié)構(gòu)和結(jié)果。所以研究制備能讓光透過的連續(xù)(無孔)的厚的金屬膜是非常有意義的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種步驟簡單、低耗、具有奇異光學(xué)增透功能的中空納米錐陣列膜的制備方法。
[0005]本方法涉及到掩?？涛g技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)以及一些組裝方面的技術(shù)。整個過程操作簡便，過程低耗清潔，可控性高。通過控制刻蝕的時間和條件，可以制備不同高度的中空納米錐陣列膜。利用我們的方法制備的中空納米錐陣列膜制備成本低，具有奇異的光學(xué)增強透射的作用，可以更好的運用到實際應(yīng)用中。
[0006]本發(fā)明所述的制備具有奇異光學(xué)增透功能的中空納米錐陣列膜的方法，其步驟如下:
[0007]I)以親水處理過的玻璃片為基底，在1000?3000rpm的轉(zhuǎn)速下將正向光刻膠原液旋涂到玻璃基底上，然后將基底在80?120°C條件下放置0.5?I小時進行固化，從而在基底上得到厚I?2 μ m的正向光刻膠薄膜；
[0008]2)在I?5mL、濃度為I?20wt%的聚苯乙烯微球的去離子水分散液中加入I?3mL的去離子水，在4000?IOOOOrpm轉(zhuǎn)速下離心3?5分鐘，在離心后得到的固態(tài)物中再加入I?3mL去離子水并再次進行離心，重復(fù)加入去離子水和離心過程4?7次；在最后離心得到的固態(tài)物中加入I?5mL體積比為1:1的乙醇和去離子水的混合液，在4000?IOOOOrpm轉(zhuǎn)速下離心5?10分鐘，重復(fù)加入混合液和離心過程4?20次，在最后離心得到的固態(tài)物中再加入I?5mL體積比為1:1的乙醇和去離子水的混合液，得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去離子水分散液；用一次性注射器吸取0.1?0.5mL疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去離子水分散液，滴加到盛有去離子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球就會在氣液界面排列為單層，再加入50?200 μ L、濃度為I?10wt%的十二烷基磺酸鈉表面活性劑使聚苯乙烯微球彼此緊密排列；將旋涂有光刻膠薄膜的基底從單層聚苯乙烯微球底部將緊密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放于傾斜面上自然干燥就在基底上得到二維有序的單層聚苯乙烯微球陣列；
[0009]3)將步驟2)制得的基底置在氣壓為5?lOmTorr、溫度為10?20°C、氧氣流速為10?50sccm、刻蝕功率為200?300W的條件下刻蝕100?500秒；在這個過程中，微球與其下部的光刻膠同時被刻蝕，微球逐漸變小直至完全消失，由于微球的掩膜作用，光刻膠薄膜被刻蝕成納米錐陣列結(jié)構(gòu)；然后將刻蝕過的基底放置在真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的樣品臺上，樣品法線與沉積方向的夾角(即入射角)O°，在5X10_4?lX10_3Pa的真空度下進行熱蒸發(fā)沉積金屬，沉積速度為0.5?2 A/s,沉積厚度為100?120nm ；
[0010]4)將熱蒸發(fā)沉積金屬后的基底放入無水乙醇中浸泡2?3小時，金屬膜與基底之間留有的未被刻蝕掉的光刻膠連同被銀覆蓋的納米錐陣列結(jié)構(gòu)光刻膠一并被乙醇溶解，從而得到中空納米錐陣列的金屬銀薄膜。
[0011]步驟I)所述基底為玻璃片、石英片等平整的無機透明基底。
[0012]步驟2)所述的聚苯乙烯微球直徑的尺寸為0.5?3 μ m,購買商業(yè)化產(chǎn)品。
[0013]步驟3)所述的金屬為銀。
[0014]本發(fā)明各個步驟操作簡單，所制備的納米錐陣列具有中空的結(jié)構(gòu)特點，可以引起上部尖端和下部孔的相互作用，產(chǎn)生更有效率的等離子體共振，可以使光很容易的穿透我們所制備的連續(xù)的厚的金屬膜。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為制備中空納米錐陣列膜的流程圖。中間的示意圖為經(jīng)過透明處理的單個中空納米錐結(jié)構(gòu)，從圖中表現(xiàn)出此種結(jié)構(gòu)是中空的?；?、光刻膠薄膜2、聚苯乙烯微球3、中空納米錐陣列4。
[0016]圖2為(A)聚苯乙烯膠體晶體的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。(B)大面積中空納米錐陣列的SEM照片。(C)放大的中空納米錐陣列的SEM照片。(D)中空納米錐陣列的截面電鏡圖。(E)中空納米錐陣列的背面的電鏡圖。圖中的箭頭指示的是中空結(jié)構(gòu)。(F)標(biāo)示中空納米錐陣列主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的示意圖。
[0017]圖3表現(xiàn)了中空納米錐陣列膜的光學(xué)增透作用。(A)相同厚度的銀膜和中空納米錐陣列膜的透射光譜。(B)同時具有銀膜和中空納米錐陣列膜的樣品的光學(xué)照片。分界線的上部分是中空納米錐陣列，顯示綠色。下部為相同厚度的銀膜，顯示黑色，不透光。(C)產(chǎn)生此種奇異光學(xué)透射的原因是上部的尖端和下部的孔相互作用的效果圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例1:親水玻璃片的制備
[0019]所用玻璃片基底用玻璃刀裁至2.5cm長，3.5cm寬大小，放入濃硫酸(98wt%)與過氧化氫的混合溶液(體積比為7:3)中水浴加熱至80°C，保持5小時，即得到親水玻璃片；將混合溶液倒入廢液瓶中，得到的玻璃片用去離子水反復(fù)洗滌3?5次，并用氮氣吹干。
[0020]實施例2:光刻膠膜的制備[0021]將光刻膠原液(BP212-37，正向光刻膠，購于北京科華微電子材料有限公司)利用臺式勻膠機以3000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂30秒，旋涂到親水處理的玻璃片上，然后將其放置在100°C的烘箱中0.5小時，取出放置到室溫，得到2μπι厚的光刻膠薄膜。
[0022]實施例3:疏水聚苯乙烯微球的制備
[0023]在常溫下，在lmL、5wt%、直徑為700nm的聚苯乙烯微球水分散液中加入3mL去離子水，用6000rpm轉(zhuǎn)速離心5分鐘，吸取上層清液，在遺留下的固態(tài)物中再加入3mL去離子水并再次進行離心，此后重復(fù)此過程7次。在最后一次吸取上層清液之后，在固態(tài)物中加入ImL的乙醇和ImL去離子水，用6000rpm轉(zhuǎn)速離心5分鐘，吸取上層清液，然后在遺留的固態(tài)物中再加入相同的乙醇和去離子水的混合液并用相同的方法離心，此后重復(fù)此離心過程16次，在最后一次吸取上層清液后，在固態(tài)物中最后加入ImL乙醇和ImL去離子水，得到疏水的10wt%聚苯乙烯微球乙醇和去離子水的分散液。
[0024]實施例4:六方緊密堆積的單層聚苯乙烯膠體晶體的制備
[0025]用一次性注射器吸取0.2mL實施例3制備的直徑為700nm的疏水聚苯乙烯微球的乙醇水分散液，緩慢滴到培養(yǎng)皿的空氣-去離子水的界面上，靜置片刻，沿著培養(yǎng)皿一側(cè)加Λ 50 μ L濃度為10wt%的十二烷基硫酸鈉的水溶液，聚苯乙烯微球會隨之形成六方緊密堆積的單層。以旋涂有光刻膠的玻璃片為基底，伸入到水面以下，從緊密的單層微球下方緩慢向上提起，置于斜面自然干燥，從而在玻璃片上得到單層緊密堆積的聚苯乙烯膠體晶體。
[0026]實施例5:光刻膠的納米錐型陣列的的制備
[0027]將上述制備的樣品放置在各向異性等離子體刻蝕機中，在刻蝕氣壓為lOmTorr，刻蝕溫度20°C，氧氣流速50SCCm，刻蝕功率為300W的條件下，刻蝕240秒。在這個過程中，微球與其下部的光刻膠同時被刻蝕，微球逐漸變小直至消失，光刻膠薄膜被刻蝕成納米錐型的陣列。
[0028]實施例6:金屬銀的蒸鍍方法。
[0029]將實施例5制得的樣品置于真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的樣品臺上，樣品法線與沉積方向的夾角(即入射角)為0°，在5X10_4Pa的真空度下進行熱蒸發(fā)沉積銀，沉積速度為I A/s沉積厚度為IOOnm ；
[0030]實施例7:中空納米錐陣列薄膜的制備。
[0031]將上述制得的樣品然后放入無水乙醇中浸泡3小時，去除銀覆蓋的光刻膠。取出洗凈，得到中空納米錐陣列薄膜。
[0032]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明的技術(shù)方案作任何形式上的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同改變與修飾，均落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0033][I]Gu Z.;Dummer R.S.;Maradudin A.A.;McGurn A.R.;Mendez E.R., Appl.0pt.，1991，30，4094.[0034][2]Homola J., Chem.Rev., 2008, 108, 462.[0035][3] Gerard D.; Salomon L.; de ForneI F.; Zayats A.V., Phys.Rev.B,2004，69，113405。
【權(quán)利要求】
1.一種中空納米錐陣列膜的制備方法，其步驟如下: 1)以親水處理過的玻璃片為基底，在1000?3000rpm的轉(zhuǎn)速下將正向光刻膠原液旋涂到玻璃基底上，然后將基底在80?120°C條件下放置0.5?I小時進行固化，從而在基底上得到厚I?2 μ m的正向光刻膠薄膜； 2)在I?5mL、濃度為I?20wt%的聚苯乙烯微球的去離子水分散液中加入I?3mL的去離子水，在4000?IOOOOrpm轉(zhuǎn)速下離心3?5分鐘，在離心后得到的固態(tài)物中再加入I?3mL去離子水并再次進行離心，重復(fù)加入去離子水和離心過程4?7次；在最后離心得到的固態(tài)物中加入I?5mL體積比為1:1的乙醇和去離子水的混合液，在4000?IOOOOrpm轉(zhuǎn)速下離心5?10分鐘，重復(fù)加入混合液和離心過程4?20次，在最后離心得到的固態(tài)物中再加入I?5mL體積比為1:1的乙醇和去離子水的混合液，得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去離子水分散液；用一次性注射器吸取0.1?0.5mL疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去離子水分散液，滴加到盛有去離子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球就會在氣液界面排列為單層，再加入50?200 μ L、濃度為I?10wt%的十二烷基磺酸鈉表面活性劑使聚苯乙烯微球彼此緊密排列；將旋涂有光刻膠薄膜的基底從單層聚苯乙烯微球底部將緊密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放于傾斜面上自然干燥就在基底上得到二維有序的單層聚苯乙烯微球陣列； 3)將步驟2)制得的基底置在氣壓為5?lOmTorr、溫度為10?20°C、氧氣流速為10?50sccm、刻蝕功率為200?300W的條件下刻蝕100?500秒；在這個過程中，微球與其下部的光刻膠同時被刻蝕，微球逐漸變小直至完全消失，由于微球的掩膜作用，光刻膠薄膜被刻蝕成納米錐陣列結(jié)構(gòu)；然后將刻蝕過的基底放置在真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的樣品臺上，在入射角為0°、真空度為5X 10_4?IX 10_3Pa的條件下進行熱蒸發(fā)沉積金屬，沉積速度為O 5?2 Λ S冗積厚度為100?120nm ； 4)將熱蒸發(fā)沉積金屬后的基底放入無水乙醇中浸泡2?3小時，金屬膜與基底之間留有的未被刻蝕掉的光刻膠連同被銀覆蓋的納米錐陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠一并被乙醇溶解，從而得到中空納米錐陣列的金屬銀薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的一種中空納米錐陣列膜的制備方法，其特征在于:基底為玻璃片或石英片。
3.如權(quán)利要求1所述的一種中空納米錐陣列膜的制備方法，其特征在于:聚苯乙烯微粒直徑的尺寸為0.5?3μπι。
4.如權(quán)利要求1所述的一種中空納米錐陣列膜的制備方法，其特征在于:金屬為銀。
【文檔編號】G02B1/11GK103499847SQ201310472428
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】張剛, 艾斌, 于也 申請人:吉林大學(xué)