本發(fā)明屬于微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的制備領(lǐng)域。特別地，涉及一種電化學腐蝕法制備微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的方法，以及該制備方法中運用的精密位移臺。

背景技術(shù)：

微納米金屬錐結(jié)構(gòu)通過引導表面等離激元向錐尖方向傳播，并在金屬納米錐尖附近聚焦，使得金屬納米錐尖附近的電磁場被極大地增強并束縛在幾十納米的范圍內(nèi)，以此方式可以解決諸多光學領(lǐng)域難題，例如：突破光學衍射極限，實現(xiàn)光路的高密度集成等。這對于提高分子的發(fā)光效率，進而提高拉曼散射、掃描近場顯微鏡的空間分辨率有重要的作用，另外在單分子成像、熱輔助磁記錄、納米傳感、納米成像、納米光刻和納米操縱等方面也有著很廣闊的應(yīng)用前景。目前研究表明，非線性邊緣的微納米金屬錐結(jié)構(gòu)中，光到表面等離激元的轉(zhuǎn)化效率遠高于線性微納米金屬錐結(jié)構(gòu)，因此實現(xiàn)非線性微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的制備非常重要。

目前在進行微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的加工制造時，常采用離子束刻蝕、離子注入輔助納米加工、多光子納米加工技術(shù)等方法，但是包括離子束刻蝕技術(shù)在內(nèi)，它們本身擁有著操作難度大，制造成本高的特點，導致最終的器件成本的提高。對于完全以電化學腐蝕技術(shù)為核心的微納米加工工藝，目前并沒有得到很好的應(yīng)用。

另外，通過運用不同的化學反應(yīng)原理，更換不同的腐蝕液，控制不同的電壓，腐蝕液濃度和腐蝕時間，該方法可以對多種金屬進行微納米加工。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是運用電化學腐蝕法，以低成本，高效率的特點進行多節(jié)的線性或非線性微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的加工。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明需要進行加工金屬材料的選擇、腐蝕液的選擇以及特殊的實驗操作步驟：

金屬絲純度的選擇要求：必須為99.9999％及以上純度的，直徑為1mm及以內(nèi)的金屬絲，金屬材料可以為鋁，鈦，銅，鎢，銀，金等。

在確定所要加工的金屬種類和純度之后，對于電化學腐蝕中電解液的選擇，可以是氫氧化鈉溶液，高氯酸溶液，氨水等。溶液與金屬的匹配原則應(yīng)該遵循以下幾個方面：

(1)電解液要保證透明，以便在腐蝕過程中觀察金屬的腐蝕情況。

(2)電解液本身的氧化性不能過高，以免在腐蝕過程中金屬絲表面生成氧化物，影響進一步腐蝕。

(3)化學反應(yīng)過程中不能夠有固體物質(zhì)生成，以免破壞制得的金屬錐尖。

(4)在未接入電源時，電解液與金屬絲的反應(yīng)必須緩慢，接入電源以后可以看到明顯的反應(yīng)現(xiàn)象。

(5)關(guān)于電解液的質(zhì)量分數(shù)的控制，應(yīng)在接通電源構(gòu)成閉合回路后，在能夠看到反應(yīng)現(xiàn)象的前提下，盡量保證反應(yīng)速度較慢，便于控制時間以達到某種特定的腐蝕效果。

實驗過程概述：在記錄金屬絲完全腐蝕所用的時間以后，將總時間合理地分配為3至4份，再重新插入一定長度的金屬絲，以每部分時間作為腐蝕時間，到達該段時間后，繼續(xù)抬升金屬絲，進行下一段時間的腐蝕，最終形成“節(jié)狀”的腐蝕結(jié)果，在最尖端會形成微納米金屬錐結(jié)構(gòu)。

具體實驗操作過程：

(1)首先配置預(yù)選好的電解液，質(zhì)量分數(shù)一般在10％至20％之間。放置在大燒杯中待用。

(2)將筆直的金屬絲夾持在精密位移臺上，用試管夾夾緊鉑電極，放入空的小燒杯中，保持懸空狀態(tài)。

(3)在關(guān)閉直流穩(wěn)壓源的情況下連接電路，如圖1(a)所示。金屬絲的上端連接至電源的正極，鉑片連接至電源的負極。

(4)旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，抬升夾持金屬絲的夾持器，使其與空燒杯口平齊。降低夾持鉑電極的試管夾，使鉑電極的底端即將接觸空燒杯底部。向小燒杯中倒入電解液，在倒入過程中要保證電解液與金屬絲未發(fā)生接觸。

(5)待液面無氣泡且平靜以后，旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，使金屬絲底端緩慢降低至深入液面約5mm，同時打開電源開關(guān)，用秒表計時，待直流穩(wěn)壓電源電流示數(shù)為零時，即為金屬絲完全被腐蝕，記錄金屬絲被完全腐蝕所用的時間t1。

(6)關(guān)閉電源輸出開關(guān)，旋轉(zhuǎn)縱向微調(diào)旋鈕，使金屬絲底端深入至液面以下2mm，同時打開電源輸出開關(guān)，腐蝕約時，立即關(guān)閉電源開關(guān)，調(diào)節(jié)縱向微調(diào)旋鈕，將金屬絲抬升1mm，同時打開電源開關(guān)，腐蝕時，立即關(guān)閉電源開關(guān)，調(diào)節(jié)縱向微調(diào)旋鈕，將金屬絲抬升900μm，同時打開電源開關(guān)，腐蝕在此段腐蝕過程中，隨著反應(yīng)的進行，緩慢旋轉(zhuǎn)縱向微調(diào)旋鈕抬升金屬絲直至電源電流示數(shù)為零，腐蝕結(jié)束。

(7)旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，使金屬絲遠離電解液面，小心取下金屬絲，切記不可使金屬絲尖端觸碰任何物體，緩慢深入去離子水中進行清洗。將參與腐蝕的部分剪下，在掃描電子顯微鏡下觀察金屬錐結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果：

用本方法腐蝕出的線性和非線性的金屬錐表面平整度均很高，每一個金屬錐的制造成本很低——低于10元人民幣。得到的金屬錐形狀符合預(yù)期，可以直接在下一步的實驗中得到利用。

另外，該操作方式以電化學腐蝕為核心，在微納米結(jié)構(gòu)的加工上擁有成本極低，制作效率極高的優(yōu)點，可用于制作掃描近場顯微鏡、原子力顯微鏡中的探針，還可用于單分子成像、熱輔助磁記錄、納米傳感、納米成像、納米光刻和納米操縱等實驗中微納米結(jié)構(gòu)的加工。

附圖說明

圖1是實驗器件結(jié)構(gòu)示意圖。其中：圖(a)為實驗裝置結(jié)構(gòu)簡圖，其中每個部分分別表示：1縱向調(diào)節(jié)旋鈕，2精密位移臺，3待腐蝕金屬絲，4電解液，5鉑電極，6直流穩(wěn)壓電源，7橫向微調(diào)旋鈕，8縱向微調(diào)旋鈕；圖(b)為實際實驗裝置拍照圖。

圖2是以鋁絲為金屬絲，電解液選用質(zhì)量分數(shù)為15.65％的naoh溶液，在15v的直流穩(wěn)壓電源下電解腐蝕出的線性邊緣的金屬鋁錐尖在sem下的線度測量圖。其中：圖(a)為“節(jié)狀”金屬絲尖端腐蝕結(jié)果圖；圖(b)為錐尖放大圖。

圖3是以鋁絲為金屬絲，電解液選用質(zhì)量分數(shù)為10％的naoh溶液，在15v的直流穩(wěn)壓電源下電解腐蝕出的非線性邊緣的金屬鋁錐尖在sem下的線度測量圖。其中：圖(a)為“節(jié)狀”金屬絲尖端腐蝕結(jié)果圖；圖(b)為錐尖放大圖。

具體實施方式

實施例一

以下結(jié)合附圖，以制作多節(jié)非線性的鋁納米金屬鋁錐為例進行詳細說明：

鋁金屬絲的純度為99.9999％，電解液為質(zhì)量分數(shù)為15.65％的naoh溶液。操作過程如下：

首先配置naoh電解液，質(zhì)量分數(shù)為15.65％。放置在大燒杯中待用。

將筆直的鋁金屬絲夾持在精密位移臺上，用試管夾夾緊鉑電極，放入空的小燒杯中，保持懸空狀態(tài)。

在關(guān)閉直流穩(wěn)壓源的情況下連接電路，如圖1(a)所示。鋁金屬絲的上端連接至電源的正極，鉑片連接至電源的負極。

旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，抬升夾持鋁金屬絲的夾持器，使其與空燒杯口平齊。降低夾持鉑電極的試管夾，使鉑電極的底端即將接觸空燒杯底部。向小燒杯中倒入電解液，在倒入過程中要保證電解液與金屬絲未發(fā)生接觸。

待液面無氣泡且平靜以后，旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，使鋁金屬絲底端緩慢降低至深入液面約5mm，同時打開電源開關(guān)，用秒表計時，待直流穩(wěn)壓電源電流示數(shù)為零時，即為金屬絲完全被腐蝕，記錄金屬絲被完全腐蝕所用的時間為3分01秒。

關(guān)閉電源輸出開關(guān)，旋轉(zhuǎn)縱向微調(diào)旋鈕，使金屬絲底端深入至液面以下2mm，同時打開電源輸出開關(guān)，腐蝕90s時，立即關(guān)閉電源開關(guān)，調(diào)節(jié)縱向微調(diào)旋鈕，將金屬絲抬升1mm，同時打開電源開關(guān)，腐蝕30s時，立即關(guān)閉電源開關(guān)，調(diào)節(jié)縱向微調(diào)旋鈕，將金屬絲抬升900μm，同時打開電源開關(guān)，腐蝕30s。在此段腐蝕過程中，隨著反應(yīng)的進行，緩慢旋轉(zhuǎn)縱向微調(diào)旋鈕抬升金屬絲直至電源電流示數(shù)為零，腐蝕結(jié)束。

旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，使鋁金屬絲遠離電解液面，小心取下金屬絲，切記不可使鋁金屬絲尖端觸碰任何物體，緩慢深入去離子水中進行清洗。將參與腐蝕的部分剪下，在掃描電子顯微鏡下觀察節(jié)狀金屬錐結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。圖2(b)為放大倍數(shù)為×1000的錐尖放大圖，該圖顯示，錐尖橫向線度已經(jīng)達到了約200nm。

在本次電化學腐蝕過程中，鋁絲作為陽極，鉑片作為陰極。其化學反應(yīng)式為：

陰極反應(yīng)：6h2o+6e^-＝3h2(g)+6oh^-

陽極反應(yīng)：2al+8oh^-＝2alo2^-+4h2o+6e^-

總反應(yīng)：2al+2h2o+2oh^-＝2alo2^-+3h2(g)

使用精密位移臺，主要是為了更好地縱向控制金屬絲的腐蝕，實現(xiàn)可控制腐蝕線度的電化學腐蝕，為進行高精度非線性納米金屬錐的加工奠定基礎(chǔ)。

在進行最后一段腐蝕的過程中，如果固定腐蝕，則會得到線性的微納米金屬錐結(jié)構(gòu)。圖3(a)為放大倍數(shù)為×2000的線性金屬錐結(jié)構(gòu)圖，其表面情況和線度均非常理想。圖3(b)為放大倍數(shù)為×10000的線形金屬錐結(jié)構(gòu)圖，該圖顯示，其錐尖部分直徑已經(jīng)達到了1μm以內(nèi)。

綜上所述，本實驗通過合理地選擇金屬絲材料，匹配合適的電解液，實現(xiàn)高精度的線性和非線性微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的制備。制備成本極低，制備效率極高。

本實例所述僅為腐蝕鋁材料金屬錐的優(yōu)選實施例而已，并不限制其他材料的微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的制備。對于本加工領(lǐng)域而言，此項發(fā)明可以適用于絕大部分常見金屬的微納米錐結(jié)構(gòu)加工。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。