CN101117726A - 一种基于铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

利用真空镀膜技术在多孔氧化铝膜表面沉积薄膜，得到了一种复型纳米孔薄膜。这种复型纳米孔薄膜具有与铝阳极氧化膜相同密度及排列的纳米孔阵列。用化学腐蚀法去除氧化铝衬底后，所得纳米孔薄膜可用作掩模板，与离子刻蚀或真空薄膜沉积等技术相结合，可实现多种纳米阵列的制备及多孔氧化铝图形的复制转移。与传统的超薄多孔氧化铝掩模板相比，这种复型掩模板的制备更为简单，并可选用多种可真空溅射或蒸发的材料。

Description

一种基于铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板及其制备方法和应用
(一)技术领域：
本发明属于模板印刷术领域。特别涉及到一种基于铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板及其制备方法，这种掩模板可结合各种刻蚀技术或真空薄膜沉积技术，用于周期性纳米结构的制备及多孔氧化铝图形的复制转移。
(二)背景技术：
多孔铝阳极氧化膜为一种典型的自组装纳米孔结构材料，其孔道的尺度可由电解条件控制，现可得到的铝阳极氧化膜孔径从10到200nm，长径比达1000，孔密度从109到1012cm-2。在适当的阳极氧化条件下，铝阳极氧化膜孔道具有有序的六角排列。近年来，铝阳极氧化膜因具有垂直于表面的纳米孔道阵列，而在纳米材料科学中得到了重要应用，主要被用作制备纳米结构的模板，例如碳纳米管、纳米线、纳米点等。
许多工作中，利用超薄(厚度一般小于300nm)、孔道贯通的铝阳极氧化膜做掩模板，结合离子刻蚀技术或真空薄膜沉积技术，来实现铝阳极氧化膜模板图形的复制转移或纳米点阵列的制备。但是，制备这种超薄的铝阳极氧化膜掩模板的工艺较为复杂。首先在阳极氧化完成后需要将氧化膜和铝基底分离，然后进行通孔(去除阻挡层)处理。而这种超薄的氧化铝膜机械强度非常差，因而造成了许多后处理和操作上的困难。
(三)发明内容：
本发明设计了一种基于铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板及其制备方法和应用，此复型掩模板可选择多种材料以满足不同需要，工艺简单，在许多场合下可取代较多使用的超薄铝阳极氧化膜掩模板。
本发明的技术方案：一种基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板，其特征在于它具有与铝阳极氧化膜相同密度及排列的纳米孔阵列，孔密度范围在109～1012cm-2。
上述基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板制备工艺，其步骤如下：
(1)采用由二次氧化法制得的孔道有序铝阳极氧化膜；
(2)利用真空镀膜技术在氧化铝膜表面沉积薄膜；
(3)将氧化铝衬底用选择性化学腐蚀法去除，得到分离的纳米孔掩模板。
上述所述的步骤(2)中沉积薄膜的材料选择可蒸发或溅射的材料，可蒸发或溅射的材料有金属材料和非金属材料，金属材料包括镍、铁、金或铂，非金属材料包括碳或硅。
上述所述的步骤(2)中沉积薄膜材料选择金属材料时，则镀膜时或镀膜后可对样品进行加热以增加薄膜的机械强度；所述的加热条件为：温度200℃～400℃，时间0.5～2小时。
上述所述的步骤(2)中沉积薄膜可选用真空溅射或蒸发沉积技术，包括离子束溅射、磁控溅射、真空热蒸发、激光蒸发或电子束蒸发。
上述所述的步骤(2)中的沉积薄膜过程，氧化铝膜表面应正对溅射靶或蒸发源，样品对溅射靶或蒸发源面积形成的张角不超过15°。另外，沉积室的真空度要优于5×10-2pa。这样可使沉积原子的轨迹大都垂直于样品表面，以尽量减少铝阳极氧化膜孔壁上的材料沉积。
上述所述的步骤(2)中的沉积薄膜过程，薄膜沉积厚度不超过氧化铝膜孔径为宜。
上述所述的复型纳米孔掩模板与离子刻蚀或真空薄膜沉积技术相结合，用于实现目标纳米阵列的制备及多孔氧化铝图形的复制转移。
本发明的优越性和技术效果在于：与传统使用的超薄铝阳极氧化膜掩模板相比，这种复型掩模板更具有显著的有益效果，即1、制备工艺更为简单；2、可选用多种可蒸发或溅射的材料，应用范围更为广泛；3、可通过退火等后处理工艺提高其柔韧性或机械强度，降低了操作难度，更容易产品化。
(四)附图说明：
附图1为本发明所涉一种基于铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板及其制备方法和应用中的复型纳米孔掩模板结构模型示意图。
附图2为本发明所涉一种基于铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板及其制备方法和应用中制备流程示意图(图2a为初始的多孔铝阳极氧化膜，用常用的二次阳极氧化法制得；图2b为利用真空镀膜技术在氧化铝膜表面沉积薄膜；图2c为最后将氧化铝衬底用稀的酸性或碱性溶液腐蚀去除，得到分离的复型纳米孔掩模板)。
附图3为本发明所涉一种基于铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板及其制备方法和应用中典型的镍复型纳米孔掩模板的扫描电子显微镜照片。
附图4为本发明所涉一种基于铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板及其制备方法和应用中应用典型镍复型纳米孔掩模板制得的金纳米点阵列扫描电子显微镜照片。
其中：1为利用真空镀膜技术在氧化铝膜表面制得的复型纳米孔掩模板，2为多孔铝阳极氧化膜。
(五)具体实施方式：
实施例1：一个镍复型掩模板制备流程参见图2(a→b→c)。初始的铝阳极氧化膜孔密度为1.2×1010个/cm2，其平均孔径为73nm，由二次氧化法制得。用真空热蒸发镀膜技术在此铝阳极氧化膜表面沉积一层20nm厚的Ni膜。沉积过程中，真空室的真空度为1×10-3Pa。Ni膜的厚度由膜厚监控仪(FTM7)监控。为避免Ni在铝阳极氧化膜孔内壁上的沉积，铝阳极氧化膜表面正对蒸发源，蒸发源用的钨舟长2cm，铝阳极氧化膜距离蒸发源14cm，从而铝阳极氧化膜对蒸发源形成的张角为8°。为增加Ni膜的机械强度，样品在350℃下进行真空退火1小时。然后用5％的NaOH溶液腐蚀去除铝阳极氧化膜衬底，得到独立的Ni复型掩模板(见图1复型纳米孔掩模板结构模型示意图)。
图3为镍复型纳米孔掩模板的扫描电子显微镜照片，即已转移至Si衬底上的Ni复型掩模板的扫描电子显微镜图像。可看出该掩模板具有与铝阳极氧化膜衬底相同的孔密度及排列方式；平均孔径为53nm，小于所用铝阳极氧化膜衬底的平均孔径(73nm)。
实施例2：一个碳复型掩模板制备流程参见图2(a→b→c)。初始的铝阳极氧化膜孔密度为1.2×1010个/cm2，其平均孔径为73nm，由二次氧化法制得。用真空热蒸发镀膜技术在此铝阳极氧化膜表面沉积一层30nm厚的碳膜。沉积过程中，真空室的真空度为2×10-3Pa。碳膜的厚度由膜厚监控仪(FTM7)监控。为避免碳在铝阳极氧化膜孔内壁上的沉积，铝阳极氧化膜表面正对蒸发源，蒸发源用的碳丝有效长度为1.5cm，铝阳极氧化膜距离蒸发源6cm，从而铝阳极氧化膜对蒸发源形成的张角为14°。然后用1％的HF溶液腐蚀去除铝阳极氧化膜衬底，得到独立的碳复型掩模板(见图1复型纳米孔掩模板结构模型示意图)。
实施例3：验证实施例1中镍复型掩模板的实用性，尝试了用此Ni复型掩模板结合真空镀膜技术来制备Au纳米点阵列。图4为应用典型镍复型纳米孔掩模板制得的金纳米点阵列扫描电子显微镜照片。
将独立的Ni复型掩模板转移至目标基底上，这里的基底用Si片。然后，用真空热蒸发镀膜技术沉积一层10nm厚的Au，沉积过程中的其他条件与实施例1中镀Ni的条件相同。最后，用1％的HCl溶液去除掩模板后得到Au纳米点阵列。
从图4可看出，所得Au纳米点的密度与排列方式也与初始铝阳极氧化膜孔的密度与排列方式相同。Au纳米点的平均直径为54nm，基本与掩模板的平均孔径一致。表明沉积过程中，Au能够穿过Ni复型掩模板的纳米孔，并沉积在Si基底上形成纳米点阵列。

Claims (8)

1.一种基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板，其特征在于它具有与铝阳极氧化膜相同密度及排列的纳米孔阵列，孔密度范围在109～1012cm-2。
2.一种基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板制备工艺，其步骤如下：
(1)用由二次氧化法制得的孔道有序铝阳极氧化膜；
(2)利用真空镀膜技术在氧化铝膜表面沉积薄膜；
(3)将氧化铝衬底用选择性化学腐蚀法去除，得到分离的纳米孔掩模板。
3.根据权利要求2所说的一种基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板制备工艺，其特征在于所述的步骤(2)中沉积薄膜的材料选择可蒸发或溅射的材料，可蒸发或溅射的材料有金属材料和非金属材料，金属材料包括镍、铁、金或铂，非金属材料包括碳或硅。
4.根据权利要求3所说的一种基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板制备工艺，其特征在于所述的步骤(2)中沉积薄膜材料选择金属材料时，则镀膜时或镀膜后可对样品进行加热以增加薄膜的机械强度；所述的加热条件为：温度200℃～400℃，时间0.5～2小时。
5.根据权利要求2所说的一种基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板制备工艺，其特征在于所述的步骤(2)中沉积薄膜可选用真空溅射或蒸发沉积技术，包括离子束溅射、磁控溅射、真空热蒸发、激光蒸发或电子束蒸发。
6.根据权利要求2所说的一种基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板制备工艺，其特征在于所述的步骤(2)中的沉积薄膜过程，氧化铝膜表面应正对溅射靶或蒸发源，样品对溅射靶或蒸发源面积形成的张角不超过15°；沉积室的真空度要优于5×10-2Pa。
7.根据权利要求2所说的一种基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板制备工艺，其特征在于所述的步骤(2)中的沉积薄膜过程，薄膜沉积厚度不超过氧化铝膜孔径为宜。
8.一种基于多孔铝阳极氧化膜的复型纳米孔掩模板的应用，其特征在于所述的复型纳米孔掩模板与离子刻蚀或真空薄膜沉积技术相结合，用于实现目标纳米阵列的制备及多孔氧化铝图形的复制转移。
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