CN101487976A

CN101487976A - 金属光子晶体的溶液法制备

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Publication number: CN101487976A
Application number: CNA2009100785720A
Authority: CN
Inventors: 张新平; 刘红梅
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: CN101487976B

Abstract

金属光子晶体的溶液法制备属于纳米光电子材料及器件技术领域。现有制备金属光子晶体的方法存在成本高、效率低，制备面积小等问题。本发明通过依次在基底上旋涂光刻胶，干涉光刻法制备一维或者二维纳米光栅结构，旋涂金属纳米颗粒溶胶和低温热处理，制得金属光子晶体。本发明方法具有成本低、效率高，可大面积制备金属光子晶体等优点。

Description

金属光子晶体的溶液法制备

技术领域

本发明属于纳米光电子材料及器件技术领域，具体涉及一维/二维金属光子晶体的制备方法，特别涉及一种结合干涉光刻与溶液法制备周期和占空比可控的一维/二维金属光子晶体的方法。

背景技术

周期排列的金属纳米线、金属纳米柱或金属纳米孔通常被称为金属光子晶体。入射到金属光子晶体上的电磁波将引起金属中电子的集体振荡，从而产生局域表面等离子体共振，这一特性使得金属光子晶体在选择性光谱吸收、窄带滤波、全光开关、分布式反馈激光腔和生物传感器等领域具有重要的应用前景。目前，已有多种方法应用于一维/二维/三维金属光子晶体的制备中，例如：电子束刻蚀(EBL)、聚焦离子束刻蚀(FIB)、真空镀膜结合去胶(eliminations)技术。然而，这些制备方法存在制备面积小(<200μm)、效率低、成本高等缺点，从而极大的限制了金属光子晶体的广泛应用。近年来，干涉光刻结合干刻蚀技术是一种能大面积制备金属光子晶体的新方法，然而，这种方法仍然存在制备成本较高、制备效率较低等问题。为实现金属光子晶体的广泛应用，科学家们一直希望找到一种简单、快捷、成本低廉的方法实现金属光子晶体的制备。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用溶液法制备周期和占空比可控的一维/二维金属光子晶体的方法。本发明方法方便、快捷、效率高、成本低，可大面积制备金属光子晶体。

本发明所提供的金属光子晶体的制备方法，包括以下步骤：

1)在基底上，以1500-4000rpm的转速，旋涂一层厚度为50-200nm的光刻胶薄膜；

2)利用干涉光刻的方法在步骤1)中制备的光刻胶薄膜上制备出一维或者二维光刻胶纳米光栅结构，光栅结构的周期由干涉角θ控制；

如图1所示，将光刻胶薄膜置于干涉光刻光路的样品架上，以θ为干涉角，曝光、显影，得到一维光刻胶纳米光栅结构；将一维光刻胶纳米光栅结构旋转90°，进行二次曝光，显影便获得二维光刻胶纳米光栅结构。

3)将直径为2-10nm的金属纳米颗粒溶解于有机溶剂中，制成70-100mg/ml的金属纳米颗粒溶胶；

金属纳米颗粒参照文献Langmuir 1998年14卷第17页或J.AM.CHEM.SOC.2005年127卷第3266页中所示的方法制备。

4)将步骤3)中制备的金属纳米颗粒溶胶，以1500-4000rpm的转速，旋涂在步骤2)中制备的一维或二维光刻胶纳米光栅结构上；

5)将步骤4)中制备的样品在220-300℃的加热板上加热20-90s，得到一维或二维金属光子晶体。

金属纳米颗粒的熔点较低，在加热过程中融化，并由于表面张力的作用绝大部分金属填入光刻胶的凹槽内，由此便获得一维/二维金属光子晶体，即一维纳米线、二维纳米柱和二维纳米孔结构。

其中，步骤1)中所述的基底选自玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、石英片或者硅片。

步骤1)中所述的光刻胶为正胶或者负胶。

步骤3)中所述的金属纳米颗粒优选金、银或铂纳米颗粒。

步骤3)中所述的有机溶剂为二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲烷、环己烷、戊烷、己烷或辛烷中的一种。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明方法无需使用庞大的蒸镀或刻蚀设备，成本低廉，可大面积制备一维/二维金属光子晶体，重复性好，制备效率高。

2)本发明所制备的金属光子晶体的周期可控，改变干涉光路的干涉角θ，便可制备周期为200nm-2μm的金属光子晶体。

3)本发明所制备的金属光子晶体的占空比可控，改变干涉光刻的曝光量便可实现对金属光子晶体占空比的调控。

4)采用本发明方法制备金属光子晶体时，无需去除光刻胶，光刻胶的存在提高了金属光子晶体的牢固性，使其不易受到损伤、不易脱落。

附图说明

图1、制备光刻胶纳米光栅结构的干涉光路示意图，其中，1为355nm激光器；2为介质膜全反镜；3为透镜组；4为分束镜；5为样品架。

图2、实施例1中得到的一维光刻胶纳米光栅结构，其中，6为S1805光刻胶；7为光栅凹槽。

图3、实施例1中得到的一维纳米线金光子晶体的SEM图，其中，6为S1805光刻胶；8为金纳米线。

图4、实施例2中得到的二维纳米柱金光子晶体的SEM图，其中，9为ma-N405光刻胶；10为金纳米柱。

图5实施例3中得到的二维纳米孔金光子晶体的SEM图，6为S1805光刻胶；11为具有纳米孔的金膜。

以下结合附图和具体实例对本发明的技术方案做进一步的说明。

具体实施方式

实施例1

波导耦合一维纳米线金光子晶体结构的制备

本实施例中所使用的光刻胶采用德国ROHM&HAAS公司生产的正性光刻胶S1805；基底采用镀有200nm ITO波导层的玻璃片。

1)利用旋转涂膜的方法将光刻胶S1805旋涂在ITO的表面，转速为1500rpm，获得厚度为200nm的光刻胶薄膜；

2)采用如图1所示的干涉光刻光路，其中，干涉光路中的θ角为19.5度，激光器的出光功率为0.1mW，将样品放在图1所示样品架上，曝光3s，显影液显影8s，获得一维光刻胶纳米光栅结构，如图2所示，光栅结构的周期为500nm；

3)参照文献[Langmuir 1998年14卷第17页]方法制备直径为2-7nm的金纳米颗粒后，溶于二甲苯中，配成100mg/ml的金纳米颗粒溶胶；

4)利用旋转涂膜方法将金纳米颗粒溶胶涂在一维光刻胶纳米光栅上，转速为2000rpm；

5)将涂有金纳米颗粒胶体的光栅在300℃的加热板上加热20s便得到一维纳米线金光子晶体，SEM照片如图3所示。

实施例2

二维纳米柱金光子晶体结构的制备

本实施例中所使用的光刻胶采用德国Microresist公司生产的负性光刻胶ma-N405；基底采用玻璃片。

1)利用旋转涂膜的方法将光刻胶ma-N405旋涂在玻璃的表面，转速为2000rpm，获得厚度为150nm的光刻胶薄膜；

2)采用如图1所示的干涉光刻光路，其中，干涉光路中的θ角为28度，激光器的出光功率为0.1mW，将样品放在图1所示样品架上，曝光2s，将样品旋转90度进行二次曝光，显影液显影4s，获得二维光刻胶纳米孔光栅结构，二维光栅结构的周期为330nm；

3)参照文献[Langmuir 1998年14卷第17页]方法制备直径为2-7nm的金纳米颗粒后，溶于甲苯中，配成70mg/ml的金纳米颗粒溶胶；

4)利用旋转涂膜方法将金纳米颗粒溶胶涂在二维光刻胶纳米孔光栅上，转速为1500rpm；

5)将涂有金纳米颗粒胶体的光栅在250℃的加热板上加热30s便得到二维纳米柱金光子晶体，SEM照片如图4所示。

实施例3

波导耦合二维纳米孔金光子晶体结构的制备

1)利用旋转涂膜的方法将光刻胶S1805旋涂在ITO的表面，转速为4000rpm，获得厚度为50nm的光刻胶薄膜；

2)采用如图1所示的干涉光刻光路，其中，干涉光路中的θ角为28度，激光器的出光功率为0.1mW，将样品放在图1所示样品架上，曝光2s，将样品旋转90度进行二次曝光，显影液显影4s，获得二维光刻胶纳米柱光栅结构，二维光栅结构的周期为330nm；

3)参照文献[Langmuir 1998年14卷第17页]方法制备直径为2-7nm的金纳米颗粒后，溶于三氯甲烷中，配成90mg/ml的金纳米颗粒溶胶；

4)利用旋转涂膜方法将金纳米颗粒溶胶涂在二维光刻胶纳米柱光栅上，转速为4000rpm；

5)将涂有金纳米颗粒胶体的光栅在220℃的加热板上加热90s便得到波导耦合二维纳米孔金光子晶体，SEM照片如图5所示。

Claims

1、一种金属光子晶体的溶液法制备，其特征在于，包括以下步骤：

2)利用干涉光刻的方法在步骤1)中制备的光刻胶薄膜上制备出一维或者二维光刻胶纳米光栅结构；

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤1)中所述的基底选自玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、石英片或者硅片。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述的光刻胶为正胶或者负胶。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述的金属纳米颗粒为金、银或铂纳米颗粒。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述的有机溶剂为二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲烷、环己烷、戊烷、己烷或辛烷中的一种。