CN102560616A - 用于制备金属纳米针尖的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于制备金属纳米针尖的装置，其包括：稳压电源；环形铂电极，所述环形铂电极具有一连接端，环形铂电极的连接端连接稳压电源的负极；开关，位于环形铂电极与稳压电源之间；腐蚀池，腐蚀池内容纳有腐蚀金属丝的溶液，环形铂电极位于溶液中；金属丝，金属丝的一端连接稳压电源的正极，另一端伸入环形铂电极区域内的溶液中；电流监控器，位于金属丝与稳压电源之间，用于监测通过金属丝上的电流；电流控制器，电流控制器的一端电连接电流监控器，电流控制器的另一端电连接所述开关，用于根据电流监控器中的电流控制所述开关的打开或关闭。上述装置能够制备出曲率半径为50nm以下且锥面光滑的金属针尖。

Description

用于制备金属纳米针尖的装置

技术领域

本发明涉及纳米制造技术，尤其涉及一种用于制备金属纳米针尖的装置。

背景技术

当前，针尖增强拉曼光谱(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy，简称：TERS)具有高灵敏度、高空间分辨率的特性。特别地，理论研究证明能够增强电磁场的金或银的纳米针尖的曲率半径为10nm至50nm。另外，上述金属纳米针尖的曲率半径越小，其表面等离子体产生的电磁场强度越强，进而采用该针尖研究各种等离子体表面可得到更高的空间分辨率。举例来说，如当金纳米针尖的曲率半径从40nm减小到10nm，电场的强度级别由5上升到28。

然而，在现有阶段，制备上述50nm级别的金属纳米针尖还未出现较好的装置。

发明内容

本发明提供一种用于制备金属纳米针尖的装置，用以实现制备出曲率半径为50nm以下且针尖锥面符合用户需求的金属纳米针尖。

本发明提供的制备金属纳米针尖的装置，包括：

稳压电源；

环形铂电极，所述环形铂电极具有一连接端，所述环形铂电极的连接端电连接所述稳压电源的负极；

开关，位于所述环形铂电极与所述稳压电源之间；

腐蚀池，所述腐蚀池中容纳有腐蚀金属丝的溶液，所述环形铂电极位于所述溶液中；

金属丝，所述金属丝的一端连接所述稳压电源的正极，另一端伸入所述所述环形铂电极区域内的溶液中；

电流监控器，位于所述金属丝与稳压电源之间，用于监测通过金属丝上的电流；

电流控制器，所述电流控制器的一端电连接电流监控器，所述电流控制器的另一端电连接所述开关，用于根据所述电流监控器中的电流控制所述开关的打开或关闭。

本发明另一方面还提供一种使用上述装置的方法，其包括：

调整稳压电源的电压为2.25V-3.0V；

将金属丝伸入溶液中的一端的长度调整为1.5cm至2.5cm；

闭合开关；

采用电流监控器监控所述金属丝上通过的电流，在电流值大于预设值时，电流控制器打开所述开关，以获得金属纳米针尖。

由上述技术方案可知，本发明中的用于制备金属纳米针尖的装置，采用电流监控器监控金属丝上流过的电流，并使电流控制器在电流急剧变化时即电流值大于等于预设值时，断开开关，以获取符合要求的纳米级别的金属纳米针尖。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地：下面附图只是本发明的一些实施例的附图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得同样能实现本发明技术方案的其它附图。

图1为本发明一实施例提供的用于制备金属纳米针尖的装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的用于制备金属纳米针尖的装置的结构示意图；

图3为本发明图2中的腐蚀池的结构；

图4为采用上述图2的装置制备的金丝的纳米针尖的结构示意图；

图5A和图5B为采用上述图2的装置制备的金丝的纳米针尖的SEM图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，下述的各个实施例都只是本发明一部分的实施例。基于本发明下述的各个实施例，本领域普通技术人员即使没有作出创造性劳动，也可以通过等效变换部分甚至全部的技术特征，而获得能够解决本发明技术问题，实现本发明技术效果的其它实施例，而这些变换而来的各个实施例显然并不脱离本发明所公开的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的用于制备金属纳米针尖的装置的结构示意图，如图1所示，本实施例中的制备金属纳米针尖的装置包括：用于提供稳定电压的稳压电源1，环形铂电极6、开关3、腐蚀池、金属丝4、电流监控器2和电流控制器10。

其中，环形铂电极6具有一连接端5，环形铂电极6的连接端5电连接稳压电源1的负极；稳定电源1的正极电连接电流监控器2；开关3位于环形铂电极6与稳压电源1之间，用于控制整个电路的断开和闭合；腐蚀池内容纳有腐蚀金属丝的溶液7，上述的环形铂电极6置于溶液7中；金属丝4的一端通过电流监控器2电连接稳压电源1的正极，金属丝4的另一端伸入环形铂电极6所围成的区域内的溶液中。

本实施例中的电流监控器2位于金属丝4与稳压电源1之间，用于监测通过金属丝4上的电流；特别地，电流控制器10的一端电连接电流监控器2，电流控制器10的另一端电连接开关3，该电流控制器10用于根据电流监控器2中的电流值控制开关3的断开或闭合。

在本实施例中，金属丝4优选为退火后的金属丝，举例来说，金属丝4的退火温度为300℃至500℃，退火时间为3h至4h；优选将购买的直径为10um＜D＜100um的金属丝4在温度为400℃的高温炉中退火4h。

应了解的是，实施例提供的是制备金属针尖的装置，故，上述的金属丝4的直径为可为金丝、银丝或铜丝等。本实施例不对其进行限制，采用本实施例中的制备金属纳米针尖的装置能够制备各种纳米级别的金属针尖，以使其能够更好的应用于TERS技术。

在具体应用中，连接上述装置时，可在腐蚀池下方设置有移动平台8，如图2所示，移动平台8具有一活动支架9，活动支架9用于悬挂并固定金属丝4，该活动支架9还能够上下左右调节，以改变金属丝4在溶液7中的长度。

进一步地，移动平台8还具有三维调节旋钮(图中未示出)，三维调节旋钮用于调整腐蚀池的位置，以使金属丝4位于环形铂电极6的中心，且调整金属丝4在溶液7中的长度。

为制备曲率半径为50nm级别的金属纳米针尖，且使该金属纳米针尖的曲率半径能够较好的满足使用需求，则需要将金属丝4伸入溶液7中的长度为1.5cm-2.5cm，优选为2cm。特别地，金属丝4伸入溶液7中的一端位于环形铂电极6的中心。

当然，如何判断金属针尖已经制备结束是获取曲率半径在80nm以下范围内金属针尖的关键，为此，本实施例中在电流控制器10内存储有一预设值，在电流监控器2内的电流值大于等于预设值时，电流控制器10控制开关3断开，由此，可较好的获取曲率半径在80nm以下范围内的金属纳米针尖。需要说明的是，该处的预设值是以经验值，为制备不同的金属针尖，可设定不同的预设值。举例来说，若制备金丝，则可将预设值设为5mA。

在其他实施例中，为使电流控制器10较好的控制开关的断开，还可将使用继电器开关。也就是说，在环形铂电极6与稳压电源1之间电连接以继电器开关，相应地，电流控制器10也电连接该继电器开关。

在实际的操作中，电流控制器10还连接有一计算机，用于调整电流控制器内部的预设值。当然，该计算机还用于存储电流监控器2内实时监控的电流值，以便后续根据多次实验获取一符合需求的预设值。

需要说明的是，在制备金丝或银丝时，上述实施例中腐蚀池内的溶液7可为盐酸和酒精的混合溶液，所述盐酸和酒精的体积比为1∶2.8。

由上实施例可知，本发明中制备金属纳米针尖的装置采用电流监控器监控金属丝上流过的电流，并使电流控制器在电流急剧变化时即大于等于预设值时，断开开关，以获取符合要求的纳米级别的金属针尖。

如图3为制备金丝的针尖时所使用的腐蚀池的大小，腐蚀池内溶液的高度，同时环形铂电极的直径及位于溶液中的深度。如图3所示，腐蚀池的总体形状为圆筒形，直径可c为8cm，高d为11cm，内装腐蚀液深度可b为5cm。如图所示，环形铂电极高度e为7cm，外环直径a为10cm，中环直径f为6cm，内环g直径为2cm；内环所用材料为99.99纯度的铂丝，铂丝厚度直径为0.8cm，其它所用材料为99.99％纯度的银丝，银丝厚度直径为0.5cm。

结合图4、图5A和图5B所示，图4示意性的显示金属纳米针尖的结构，其包括针尖根部m、针尖端部n，且放大示意图的金属纳米针尖的曲率半径q，图5A和图5B均为制备的金丝的针尖的扫描电镜(Scanning ElectronMicroscope，简称：SEM)图。

其中图5A和图5B中购买的金丝的纯度是99.95％，直径为20μm，长度为2cm，该金丝在箱式高温炉中退火4个小时，退火温度控制在400度。

特别地，金丝直立悬挂在环形铂电极正中间，腐蚀池内的溶液为体积比为1∶2.8的盐酸和纯酒精，调节稳压电源的电压为2.25V-3.0V之间保持不变，进而打开开关，采用计算机实时记录电流变化值，在电流值达到预设值时，电流控制器断开开关，进而可得到图5A或图5B所示的金丝的针尖。图5A和图5B所示的针尖端部曲率半径较小，整体形貌比较规则，锥形表面非常光滑，可以用于在TERS技术中，从而对TERS技术的发展起着推动性作用。

需要注意的是，上述的环形铂电极中铂环的直径为2cm，铂丝直径为0.8cm。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种使用上述制备金属针尖的装置的方法，其步骤包括：

第一步：调整稳压电源的电压为2.25V至3.0V；

第二步：将金属丝伸入溶液中的一端的长度调整为1.5cm至2.5cm；

第三步：闭合开关；

第四步：采用电流监控器监控所述金属丝上通过的电流，在电流小于预设值时，电流控制器打开所述开关，以获得金属针尖。

应了解的是，制备出高质量的针尖与以下几个因素有关：第一，上述的溶液的配比，本发明中提及的制备银丝或金丝的NaOH溶液或者盐酸的酒精溶液为最佳浓度配比，可备出表面光滑，曲率半径较小的金丝或银丝的针尖；第二，腐蚀电压的大小。腐蚀电压的大小对所要制备的针尖形状、曲率半径和表面粗糙度起着关键性作用。它决定着电化学的腐蚀速率，电压增大时腐蚀速度加快针尖表面较粗糙，曲率半径较大；电压小腐蚀速率减慢，所用时间较长，表面较光滑，针尖曲率半径较小；但是由于电化学腐蚀时间较长致使针尖根部的直径很小，针尖强度下降，容易弯曲变形。因此，根据具体的实验要求，通过多次实验总结出制备金丝或银丝最佳的腐蚀电压为2.0v至4.5v；第三，电路中的电压需稳定。如果腐蚀时电路中的电压不稳，使得电流出现较大波动，从而会影响腐蚀针尖的质量。由上，本发明提供的制备金属针尖的装置能够满足上述的条件，故，采用本发明的装置可制备出形貌、曲率半径和锥面的光滑度均符合要求的针尖。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于制备金属纳米针尖的装置，其特征在于，包括：

稳压电源；

环形铂电极，所述环形铂电极具有一连接端，所述环形铂电极的连接端电连接所述稳压电源的负极；

开关，位于所述环形铂电极与所述稳压电源之间；

腐蚀池，所述腐蚀池中容纳有腐蚀金属丝的溶液，所述环形铂电极位于所述溶液中；

金属丝，所述金属丝的一端连接所述稳压电源的正极，另一端伸入所述环形铂电极中心区域内的溶液中；

电流监控器，位于所述金属丝与稳压电源之间，用于监测通过金属丝上的电流；

电流控制器，所述电流控制器的一端电连接电流监控器，所述电流控制器的另一端电连接所述开关，用于根据所述电流监控器中的电流控制所述开关的打开或关闭。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属丝为退火后的金属丝；

所述金属丝的退火温度为300℃至500℃，退火时间为3h至4h；

所述金属丝的直径为10um＜D＜100um。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属丝为金丝或银丝。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腐蚀池下方设置有移动平台；

所述移动平台具有一活动支架，所述活动支架用于悬挂所述金属丝，并调整所述金属丝在所述溶液中的长度；

所述移动平台还具有三维调节旋钮，所述三维调节旋钮用于调整所述腐蚀池的位置，以使所述金属丝位于所述环形铂电极的中心，且调整所述金属丝在所述溶液中的长度。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属丝伸入所述溶液中的长度为1.5cm-2.5cm；

所述金属丝伸入所述溶液中的一端位于所述环形铂电极的中心。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流控制器内存储有一预设值，在所述电流监控器内的电流值小于等于所述预设值时，所述电流控制器断开所述开关。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关为继电器开关。

8.根据权利要求6所述的装置，所述电流控制器还连接有一计算机，用于调整所述预设值。

9.根据权利要求1所述的装置，所述溶液为盐酸和酒精的混合溶液，所述盐酸和酒精的体积比为1∶2.8。

10.一种使用上述权利要求1至9任一项所述的装置的方法，其特征在于，包括：

调整稳压电源的电压为2.25V-3.0V；

将金属丝伸入溶液中的一端的长度调整为1.5cm至2.5cm；

闭合开关；

采用电流监控器监控所述金属丝上通过的电流，在电流值大于预设值时，电流控制器打开所述开关，以获得金属纳米针尖。

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