專利名稱：一種制備金屬納米條紋的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于新材料領域，涉及一種制備金屬納米條紋的方法。
背景技術：
離子束轟擊誘導物質(zhì)表面自組裝納米結構，近年來引起了科學和工業(yè)界的極大興趣。自1999年，F(xiàn)acsko等人在《Science》報道采用離子束轟擊(iaSb晶體獲得自組裝納米點陣以來。人們相繼采用離子束轟擊在Si、Ge半導體、玻璃、金屬塊體材料上自組裝出有序的納米點陣或納米條紋。如發(fā)明專利CN 101748374A中，公開了采用離子束濺射技術生長高密度細小自組織Ge量子點的方法。目前報道的均是在同質(zhì)單晶、多晶或非晶塊體上采用離子束轟擊制備納米結構。在異質(zhì)基底上，采用離子束直接轟擊制備單質(zhì)金屬納米條紋結構卻未見報道，原因是單質(zhì)金屬薄膜在異質(zhì)基底上不能形成非晶結構，由于表面原子的擴散各項異性，導致難以形成預期結構。另外濺射過程需精確控制，以免金屬層被完全濺射或濺射量不夠?qū)е陆饘偌{米結構未能相互分離。因此制備納米金屬條紋，往往采用較為復雜的工藝流程，如光刻技術、電子束刻蝕等。另一方面，低能離子束寬轟擊誘導物質(zhì)表面納米結構，是一種低成本、高產(chǎn)出的自組裝技術，具有較強的競爭優(yōu)勢。異質(zhì)襯底上的納米金屬條紋在金屬光柵、表面等離子體傳導、LED發(fā)光增強、磁性納米結構制備等方面具有廣泛的應用前景。因此，若能直接采用離子束轟擊在異質(zhì)基底上生長出金屬納米條紋，將能克服當前的技術瓶頸，將這種技術應用到更廣的領域。相關技術未見文獻報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備金屬納米條紋的方法。本發(fā)明提供的制備金屬納米條紋的方法，包括如下步驟將靶材的靶面以平行于襯底表面呈θ角的角度放置后，以惰性氣體為工作氣體，用離子束槍垂直轟擊襯底表面， 所述離子束槍發(fā)出的離子束以與所述靶材表面法線呈θ角度轟擊所述靶材，經(jīng)由靶面反射的離子束以與所述襯底法向呈180° -2 θ角度對所述襯底進行轟擊，同時將所述襯底進行水平移動，轟擊完畢得到所述金屬納米條紋；其中，所述靶材的結構為表面平整的矩形結構。上述方法中，構成所述靶材的材料選自Al、Ag、Au、Cr、Cu、Co、Fe、Mo、Mn、Nb、Nd、 Ni、Pt、Ti、W、Zn和Zr中的至少一種，優(yōu)選Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu或Zn ；構成所述襯底的材料選自單晶硅、玻璃、石英玻璃、藍寶石3112110、5比、1^恥03、1^1^03和金屬非晶材料中的至少一種，其中，所述金屬非晶材料優(yōu)選Co&Nb非晶；所述襯底的電阻無特別要求，若為絕緣襯底，為避免離子束轟擊過程電荷積累，可按照常規(guī)方法施加熱電子中和電流，其中，所用中和電流的強度為離子束流強度的1. 2 2倍，該襯底的表面粗糙度為0. Inm 10nm， 優(yōu)選0. Inm l.Onm。為實現(xiàn)靶材的靶面以平行于襯底表面呈θ角的角度放置，可將該金屬靶材的背面固定在角度可調(diào)的旋轉(zhuǎn)機構上，使靶面與放有襯底的樣品工作臺水平面的角度在45° 90°，優(yōu)選50° 85°，更優(yōu)選55° 80°之間可調(diào)，且該旋轉(zhuǎn)機構與擋板相連。所述轟擊步驟中，加速極電壓為100V 500V，優(yōu)選120V 200V，更優(yōu)選120V 150V ；屏極電壓為0. 5kV 10. OkV,優(yōu)選0. 6kV 6. OkV,更優(yōu)選0. 6kV 3. OkV ；離子束流密度為 1. OXlO14Cnr2 · S-1 1. OXlO16Cnr2 · 優(yōu)選 0. 5-5. OXlO1W · 更優(yōu)選1.0X1015cm_2 · s—1。該轟擊步驟是在真空條件下進行的；所述惰性氣體選自Ar、Kr和 Xe中的至少一種；所述真空條件中，本底真空不小于5X10_4Pa，優(yōu)選2X10_4Pa;工作氣壓為IX KT2Pa IX KT1Pa,優(yōu)選2 X 10_2Pa。所述襯底的溫度為0°C 800°C，優(yōu)選20°C 7000C，更優(yōu)選25-700°C ；所述襯底的水平移動速度不小于0. Olcm/min，優(yōu)選0. 02cm/min 0. 20cm/min,更優(yōu)選0. 02cm/min 0. 05cm/min,該襯底的水平移動速度可在上述范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。所述靶材的最低點與所述襯底水平表面之間的垂直距離為Omm 20mm，優(yōu)選Imm IOmm,更優(yōu)選Imm0優(yōu)選的，該方法中，所用離子束槍為考夫曼型寬束離子槍，相應的，所用轟擊系統(tǒng)為考夫曼型寬束離子源轟擊系統(tǒng)，該離子源轟擊系統(tǒng)中包含熱電子中和電路。另外，在實際操作中，在所述轟擊步驟之前，可先將襯底預先用丙酮、無水乙醇、去離子水分別超聲清洗一定時間(如可為15min)以去除有機物和無機雜質(zhì)。按照上述方法制備得到的金屬納米條紋，也屬于本發(fā)明的保護范圍。該金屬納米條紋的特征周期為IOOnm lOOOnm，優(yōu)選IOOnm 800nm，更優(yōu)選150_800nm ；線寬為 IOnm lOOnm，優(yōu)選 20nm 80nm，更優(yōu)選 30_80nm。本發(fā)明提供了一種利用離子束轟擊自組裝微納米金屬條紋的制備方法，與現(xiàn)有的光刻方法或電子束刻蝕方法相比，具備以下優(yōu)點該方法具有廣泛的襯底材料適應性，涵蓋半導體、絕緣體、金屬非晶材料；具有廣泛的金屬靶材適應性，金屬靶材包括除Li、Na、K等低熔點活潑金屬外的大多數(shù)金屬；工藝過程簡單，一步法便可實現(xiàn)金屬納米條紋的自組裝制備；金屬微納米條紋的周期IOOnm至IOOOnm間可控，波長范圍涵蓋深紫外和可見光波段， 可以克服現(xiàn)有光刻的技術極限，在光學器件制備方面極具優(yōu)勢；成本低、產(chǎn)出量大、效率高， 易于實現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明提供的制備金屬納米條紋的離子束轟擊裝置示意圖。圖中1，考夫曼型寬束離子槍；2，金屬靶材；3，角度可調(diào)的靶材固定機構；4，垂直方向高度可調(diào)的擋板； 5，襯底基片；6，樣品工作臺；7，轟擊過程中工作臺的移動方向。圖2為本發(fā)明實施例1所得樣品的SEM檢測結果圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實施例。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑而得。以下結合說明書附圖1描述本發(fā)明提供的制備金屬納米條紋方法的制備原理在緊靠襯底5的上方放置矩形金屬靶材2，金屬靶材與平行襯底表面方向呈θ角，該角度可用選擇機構3來調(diào)整，采用惰性氣體離子束槍1 (考夫曼型寬束)垂直轟擊襯底表面，離子束以與金屬靶材表面法線呈θ角度轟擊靶材，經(jīng)由靶面反射的離子束以與襯底基片法向呈 180° -2 θ角度對襯底進行轟擊，在襯底表面形成有序的納米條紋結構。同時靶材被轟擊出的金屬原子在襯底表面沉積，并優(yōu)先沉積在納米條紋結構的波峰位置，處于波谷位置的金屬原子則被離子束濺射掉，從而形成穩(wěn)定的金屬納米條紋結構。該金屬納米結構與襯底上自組裝的納米結構保持了相同的周期。在靠近靶材邊沿的區(qū)域，金屬原子的行程短、沉積效果強(金屬原子的沉積效果也可通過調(diào)節(jié)襯底和靶材的垂直距離和θ角來控制)，反之越遠離沉積效果越弱，通過樣品工作臺6的水平移動(移動方向如箭頭7所示，轟擊完畢的部分處于擋板4的保護)便可實現(xiàn)大面積的金屬納米條紋的連續(xù)制備。實施例1采用考夫曼型寬束離子源轟擊系統(tǒng)，離子束斑直徑為50mm，以高純Ar (99. 999% ) 為工作氣體，本底真空為2X 10_4Pa，工作氣壓為2X 10_2Pa。襯底材料采用EPI拋光N型單晶 Si(IOO)基片，其電阻為0.01 Ω · cm 0.02 Ω · cm，表面粗糙度為0. 2nm。襯底Si (100)基片，預先分別用丙酮、無水乙醇、去離子水分別超聲清洗15min以去除有機物和無機雜質(zhì)。 以具有平整表面矩形結構的高純狗(99. 995% )塊為金屬靶材，設置靶材表面與襯底工作臺水平的角度為80°，靶材最底位置與襯底Si (100)基片的垂直高度為1mm。工作臺溫度為常溫25°C，水平移動速度為0.05cm/min。在加速電壓為120V，屏極電壓為3. OkV，離子束流密度為LOXlO15Cm-2 · S—1的轟擊條件下，對所用襯底材料進行轟擊，轟擊完畢得到本發(fā)明提供的特征周期為150nm、Fe金屬條線寬為30nm的金屬納米條紋，檢測結果條紋結構的 SEM圖形如圖2所示(圖中亮條紋表示！^納米條紋)。實施例2采用考夫曼型寬束離子源轟擊系統(tǒng)，離子束斑直徑為50mm，以高純Ar (99. 999% ) 為工作氣體，本底真空為2 X IO-4Pa,工作氣壓為2 X 10_2Pa。襯底材料采用EPI拋光P型單晶 Si(Ill)基片，其電阻為5. 6 Ω · cm 10. 4 Ω · cm，表面粗糙度為0. 2nm。襯底Si (111)基片，預先分別用丙酮、無水乙醇、去離子水分別超聲清洗15min以去除有機物和無機雜質(zhì)。 以具有平整表面矩形結構的高純Co (99. 995% )塊為金屬靶材，設置靶材表面與襯底工作臺水平的角度為陽°，靶材最底位置與襯底Si(Ill)基片的垂直高度為1mm。工作臺溫度保持為700°C，水平移動速度為0. 02cm/min。在加速電壓為150V，屏極電壓為0. 6kV，離子束流密度為1. OX IO15cnT2 -S-1的轟擊條件下，對所用襯底材料進行轟擊，轟擊完畢得到本發(fā)明提供的特征周期為800nm、Co金屬條線寬為SOnm的金屬納米條紋。
權利要求
1.一種制備金屬納米條紋的方法，包括如下步驟將靶材的靶面以平行于襯底表面呈 θ角的角度放置后，以惰性氣體為工作氣體，用離子束槍垂直轟擊襯底表面，所述離子束槍發(fā)出的離子束以與所述靶材表面法線呈θ角度轟擊所述靶材，經(jīng)由靶面反射的離子束以與所述襯底法向呈180° -2 θ角度對所述襯底進行轟擊，同時將所述襯底進行水平移動， 轟擊完畢得到所述金屬納米條紋；其中，所述靶材的結構為表面平整的矩形結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于構成所述靶材的材料選自Al、Ag、Au、Cr、 Cu、Co、Fe、Mo、Mn、Nb、Nd、Ni、Pt、Ti、W、Zn 禾口 Zr 中的至少一種，優(yōu)選 Ti、Cr、Fe、Co、Ni、 Cu或Si ；構成所述襯底的材料選自單晶硅、玻璃、石英玻璃、藍寶石、A1N、ZnO, SiC、LiNb03、 LiTaO3和金屬非晶材料中的至少一種；其中，所述金屬非晶材料優(yōu)選C0&Nb非晶；所述襯底的表面粗糙度為0. Inm 10nm，優(yōu)選0. Inm 1. Onm,更優(yōu)選0. 2nm。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述θ角為45° 90°，優(yōu)選 50° 85°，更優(yōu)選55° 80° ；所述靶材的最低點與所述襯底水平表面之間的垂直距離為Omm 20mm,優(yōu)選Imm IOmm,更優(yōu)選Imm0
4.根據(jù)權利要求1-3任一所述的方法，其特征在于所述轟擊步驟中，加速極電壓為IOOV 500V，優(yōu)選120V 200V，更優(yōu)選120V 150V ；屏極電壓為0. 5kV 10. OkV, 優(yōu)選0. 6kV 6. OkV,更優(yōu)選0. 6kV 3. OkV ；離子束流密度為1. OX IO14CnT2 · s"1 1. OXlO1W2 · s-1，優(yōu)選 0. 5-5. OXlO1W2 · S、更優(yōu)選 1. OXlO1W · s\
5.根據(jù)權利要求1-4任一所述的方法，其特征在于所述轟擊步驟是在真空條件下進行的；所述惰性氣體選自Ar、Kr和Xe中的至少一種；所述真空條件中，本底真空不小于 5父10^^，優(yōu)選2\10-41^;工作氣壓為 IX KT2Pa 1 X KT1Pa,優(yōu)選 2 X l(T2Pa。
6.根據(jù)權利要求1-5任一所述的方法，其特征在于所述襯底的溫度為0°C 800°C， 優(yōu)選20°C 700°C，更優(yōu)選25-700°C ；所述襯底的水平移動速度不小于0. Olcm/min，優(yōu)選 0. 02cm/min 0. 20cm/min,更優(yōu)選 0. 02cm/min 0. 05cm/mino
7.根據(jù)權利要求1-6所述的方法，其特征在于所述離子束槍為考夫曼型寬束離子槍。
8.權利要求1-7任一所述方法制備得到的金屬納米條紋。
9.根據(jù)權利要求8所述的條紋，其特征在于所述金屬納米條紋的特征周期為 IOOnm lOOOnm，優(yōu)選 IOOnm 800nm，更優(yōu)選 150-800nm ；線寬為 IOnm lOOnm，優(yōu)選 20nm 80nm，更優(yōu)選 30_80nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備金屬微納米條紋的方法。該方法包括如下步驟將靶材的靶面以平行于襯底表面呈θ角的角度放置后，以惰性氣體為工作氣體，用離子束槍垂直轟擊襯底表面，所述離子束槍發(fā)出的離子束以與所述靶材表面法線呈θ角度轟擊所述靶材，經(jīng)由靶面反射的離子束以與所述襯底法向呈180°-2θ角度對所述襯底進行轟擊，同時將所述襯底進行水平移動，轟擊完畢得到所述金屬納米條紋；其中，所述靶材的結構為表面平整的矩形結構。本發(fā)明提供了一種低成本、可控、可產(chǎn)業(yè)化自組裝金屬微納米條紋制備方法，可應用于制作金屬光柵偏振器、非線性光學器件、等離子光子芯片、LED發(fā)光效率增強金屬柵和微納米磁結構等領域。
文檔編號C23F4/00GK102230179SQ201110168949
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權日2011年6月22日
發(fā)明者唐光盛, 曾飛, 潘峰 申請人:清華大學