CN108300984A - 快速制备金纳米柱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明快速制备金纳米柱的方法，属于金纳米材料制备技术领域，解决了现有技术中存在的过程复杂、实验条件严苛、步骤繁琐、耗时长的技术问题；本发明采用电子束曝光技术或者激光干涉光刻技术在镀金Si片上制备出排列规则、直径不同的纳米孔阵列，将带有纳米孔阵列的镀金Si片放入烧杯中，然后在此烧杯中注入由去离子水、氯金酸和柠檬酸钠组成的溶液进行反应，取出带有纳米孔阵列的镀金Si片，自然条件下晾干，在不同直径的纳米孔阵列中得到不同直径的金纳米柱；本发明工艺简单，操作简便，成本低，重复性强，能够快速制备出排列有序的金纳米柱。

Description

快速制备金纳米柱的方法
技术领域
本发明属于金纳米材料制备技术领域，具体涉及一种快速制备金纳米柱的方法。
背景技术
纳米柱是纳米结构领域内一种新出现的技术，纳米柱是直径为10-9m的纳米结构。纳米柱的底部是柱形结构，顶端是锥形点。由于它的独特形状，因而具有其它纳米结构所不具备的许多特有的性质。尤其是金纳米柱，由于其在表面增强拉曼散射、生物标识、药物负载与释放及纳米贵金属催化等方面的突出性能，因而受到国内外研究学者的广泛关注。
目前，制备金纳米柱最常用的方法是模板法，采用AAO作为模板，采用电化学方式沉积纳米金制备出金纳米柱或者采用激光干涉技术制备模板，在模板上旋涂金溶胶，最后进行退火处理制备出金纳米柱。但此种方法存在以下技术缺陷：过程复杂、实验条件严苛，耗时长，步骤繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速制备金纳米柱的方法，解决现有技术中存在的过程复杂、实验条件严苛、步骤繁琐、耗时长的技术问题。
本发明快速制备金纳米柱的方法，包括以下步骤：
步骤一：清洗Si片，并在Si片表面镀金；
将Si片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，洗耳球吹干,先镀一层5nm厚的铬，再镀一层厚度约为60nm的金；
步骤二：用电子束曝光技术或者激光干涉光刻技术在镀金后的Si片上制备不同直径的纳米孔阵列；
步骤三：制备金纳米柱；
a、将步骤二中带有纳米孔阵列的镀金Si片固定在烧杯中；
b、向烧杯中注入氯金酸溶液，用磁力搅拌器搅拌，加热至沸腾，然后迅速加入一定量的柠檬酸钠溶液，共同加热煮沸10min，停止加热后继续搅拌15min，搅拌结束后冷却至室温；
c、取出步骤b中的基底，并在室温下静置晾干，即可得到受纳米孔结构制约的、排列规整的金纳米柱。
进一步地，在步骤二中选择电子束曝光技术在镀金后的Si片上制备不同直径的纳米孔阵列具体操作步骤为：
a、在镀金的Si片旋涂电子抗蚀剂，然后进行前烘；
b、使用电子束曝光设备在此电子抗蚀剂上进行曝光，显影后得到不同直径的纳米孔阵列；
使用电子束曝光设备上的DesignCAD21软件绘制出直径不同的的多组阵列图案，并生成run file文件；在加速电压为30kV，曝光剂量为140μC/cm2的情况下，在电子抗蚀剂上进行曝光，显影后得到不同直径的纳米孔阵列。
进一步地，在步骤二中选择用激光干涉光刻技术在镀金后的Si片上制备不同直径的纳米孔阵列具体操作步骤为：
a在镀金的Si片上旋涂一层光刻胶，然后进行前烘；
b搭建多光束激光干涉系统，在光刻胶上制备不同直径的纳米孔阵列；
使用波长为355nm的高功率固体激光器、高反镜、分光镜、半波片和偏振片搭建多光束激光干涉系统，设定曝光时间和曝光能量，在光刻胶上进行曝光，通过调节空间角、入射角、偏振角、干涉光强和曝光时间等参数，显影后可得到不同直径的纳米孔阵列。
进一步地，在步骤三中将带有纳米孔阵列的镀金Si片固定在烧杯中具体为：使用双面胶将带有纳米孔阵列的镀金Si片正面朝上粘贴在L型塑料棒或者玻璃棒的底端，再将塑料棒或者玻璃棒粘贴在烧杯内壁上，带有纳米孔阵列的镀金Si片的上表面低于随后加入的由去离子水、氯金酸和柠檬酸钠组成的反应溶液的液面高度。
本发明的有益技术效果：本发明采用电子束曝光技术、激光干涉光刻技术制备出排列规整的、不同直径的纳米孔阵列，用柠檬酸钠还原法制备纳米金，原材料成分简单，制备过程简便，采用提前将带孔基底固定在烧杯中，随后注入反应溶液的方式，反应结束后可得到按纳米孔排列的、不同直径的金纳米柱；本发明具有工艺简单，操作简便，成本低，重复性强，可快速制备金纳米柱的优点。
附图说明
图1为本发明快速制备金纳米柱的方法流程图；
图2为本发明电子束曝光技术制备的纳米孔阵列的SEM图；
图3为本发明三光束激光干涉光刻技术制备的纳米孔阵列仿真图；
图4为本发明电子束曝光技术制备的直径为800nm的纳米孔阵列中金纳米柱的SEM图，右图是左图的局部放大SEM图；
图5为本发明电子束曝光技术制备的直径为600nm的纳米孔阵列中金纳米柱的SEM图，右图是左图的局部放大SEM图；
图6为本发明电子束曝光技术制备的直径为400nm的纳米孔阵列中金纳米柱的SEM图，右图是左图的局部放大SEM图；
图7为本发明带有纳米孔阵列的镀金Si片浸没在烧杯中的结构示意图；
其中，1、L型塑料棒，2、带有纳米孔阵列的镀金Si片，3、烧杯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述：
实施例一：
参见附图1至附图6，本发明快速制备金纳米柱的方法，包括以下步骤：
本发明快速制备金纳米柱的方法，包括以下步骤：
步骤一：清洗Si片，并在Si片表面镀金；
将Si片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，洗耳球吹干,先镀一层5nm厚的铬，再镀一层厚度约为60nm的金；
步骤二：用电子束曝光技术或者激光干涉光刻技术在镀金后的Si片上制备不同直径的纳米孔阵列；
步骤三：制备金纳米柱；
a、将步骤二中带有纳米孔阵列的镀金Si片固定在烧杯中；
b、向烧杯中注入氯金酸溶液，用磁力搅拌器搅拌，加热至沸腾，然后迅速加入一定量的柠檬酸钠溶液，共同加热煮沸10min，停止加热后继续搅拌15min，搅拌结束后冷却至室温；
c、取出步骤b中的基底，并在室温下静置晾干，即可得到受纳米孔结构制约的、排列规整的金纳米柱。
进一步地，在步骤二中选择电子束曝光技术在镀金后的Si片上制备不同直径的纳米孔阵列具体操作步骤为：
a、在镀金的Si片上旋涂电子抗蚀剂，然后进行前烘；
b、使用电子束曝光设备在此电子抗蚀剂上进行曝光，显影后得到不同直径的纳米孔阵列；
使用电子束曝光设备上的DesignCAD21软件绘制出直径不同的的多组阵列图案，并生成run file文件；在加速电压为30kV，曝光剂量为140μC/cm2的情况下，在电子抗蚀剂上进行曝光，显影后得到不同直径的纳米孔阵列。
进一步地，在步骤二中选择用激光干涉光刻技术在镀金后的Si片上制备不同直径的纳米孔阵列具体操作步骤为：
a、在镀金的Si片上旋涂一层光刻胶，然后进行前烘；
b、搭建多光束激光干涉系统，在光刻胶上制备不同直径的纳米孔阵列；
使用波长为355nm的高功率固体激光器、高反镜、分光镜、半波片和偏振片搭建多光束激光干涉系统，设定曝光时间和曝光能量，在光刻胶上进行曝光，通过调节空间角、入射角、偏振角、干涉光强和曝光时间等参数，显影后可得到不同直径的纳米孔阵列。
所述步骤三中将带有纳米孔阵列的镀金Si片固定在烧杯中具体为：使用双面胶将带有纳米孔阵列的镀金Si片正面朝上粘贴在L型塑料棒或者玻璃棒的底端，再将塑料棒或者玻璃棒粘贴在烧杯内壁上，带有纳米孔阵列的镀金Si片的上表面低于随后加入的由去离子水、氯金酸和柠檬酸钠组成的反应溶液的液面高度。
实施例二：
参见附图7，本发明快速制备金纳米柱的方法，包括以下步骤：
步骤一：清洗Si片，并在Si片表面镀金；将Si片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，洗耳球吹干,先镀一层5nm厚的铬，再镀一层厚度约为60nm的金。
步骤二：用电子束曝光技术制备不同直径的纳米孔阵列；
a、在镀金的Si片上旋涂电子抗蚀剂，然后进行前烘；
b、使用电子束曝光设备在此电子抗蚀剂上进行曝光，显影后得到不同直径的纳米孔阵列；
使用电子束曝光设备上的DesignCAD21软件绘制出直径不同的的多组阵列图案，并生成run file文件；在加速电压为30kV，曝光剂量为140μC/cm2的情况下，在电子抗蚀剂上进行曝光，显影后得到不同直径的纳米孔阵列；
步骤三：制备金纳米柱；
a、将步骤二中制备的带有纳米孔阵列的镀金Si片2固定在烧杯3中；
b、再向烧杯3中注入氯金酸溶液，用磁力搅拌器搅拌，加热至沸腾，然后迅速加入一定量的柠檬酸钠溶液，共同加热煮沸10min，停止加热后继续搅拌15min，搅拌结束后冷却至室温；
c、取出带有纳米孔阵列的镀金Si片2在室温下静置晾干，即可得到按纳米孔阵列排列规整的金纳米柱。
所述步骤三中将带有纳米孔阵列的镀金Si片2固定在烧杯3中具体为：使用双面胶将带有纳米孔阵列的镀金的Si片2正面朝上粘贴在L型塑料棒1或者玻璃棒的底端，再将塑料棒1或者玻璃棒粘贴在烧杯3内壁上，带有纳米孔阵列的镀金的Si片2的上表面低于随后加入的由去离子水、氯金酸和柠檬酸钠组成的反应溶液的液面高度。
实施例三：
本实施例与实施例二的区别在于，在步骤二中选择用激光干涉光刻技术制备不同直径的纳米孔阵列具体操作步骤为：
a、在镀金的Si片上以2000r/min的速率旋涂与稀释剂AR 300-12比例为1:1的AR-P3740紫外光刻胶，时间为1min，光刻胶的厚度为600nm，然后在100℃的热板上前烘1min；
b、使用三光束激光干涉系统在此光刻胶进行曝光；
使用波长为355nm的高功率固体激光器、高反镜、分光镜、半波片和偏振片等搭建三光束激光干涉系统，在光刻胶上进行曝光，三束相干光的空间角分别为0°、120°、240°；偏振角分别0°、90°、90°，三束相干光入射角相同，均为6.79°；曝光时间为2.5s，曝光能量为2.7mJ，制备周期为2um的纳米孔阵列。
c、将曝光后的旋涂有光刻胶的镀金Si片放入与去离子水比例为1:3的AR 300-26显影液中显影1min，然后在去离子水漂洗30s，洗耳球吹干，可得到周期为2um的纳米孔阵列。
实施例四：
按纳米孔阵列规整排列的金纳米柱的制备：将表面积为1cm2的Si基底依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗各三次，每次5min，取出后用洗耳球吹干，先镀一层5nm厚的铬，再镀一层厚度约为60nm的金；
在镀金的Si片上以4000r/min的速率旋涂电子抗蚀剂AR-P 6200，时间为1min，胶厚度约为200nm，在150℃的热板上前烘1min；
使用DesignCAD21软件绘制直径不同的多组纳米孔阵列，并生成run file文件；在加速电压为30kV，曝光剂量为140μC/cm2的情况下，使用电子束曝光设备在此电子抗蚀剂上进行曝光。
将曝光后的旋涂有电子抗蚀剂的镀金Si片放在显影液AR 600-546中显影1min，然后在去离子水中漂洗30s，洗耳球吹干，可得到不同直径的纳米孔阵列。
有3个不同直径的纳米孔阵列，直径为：800nm、600nm、400nm，每个阵列都由4×4个结构组成，每个结构由41×41个纳米孔组成，两个相邻孔的中心间距为2um；这3个阵列只是孔直径各不相同，其它参数均相同。
制备金纳米柱：首先使用双面胶将带有纳米孔阵列的镀金Si片正面朝上粘贴在L型塑料棒或者玻璃棒的底端，再将塑料棒粘贴在烧杯内壁上，带有纳米孔阵列的镀金Si片要低于反应溶液的最高液面，然后加入50mL浓度为1mmol/L的氯金酸溶液，开启磁力搅拌器，加热至沸腾，保持沸腾一会，迅速加入5.4mL浓度为38.8mmol/L的柠檬酸钠溶液，共同煮沸10min，停止加热后继续搅拌15min，搅拌结束后冷却至室温，取出塑料棒，取下带有纳米孔阵列的镀金Si片，室温下静置晾干；
制备出的金纳米柱按照纳米孔阵列规整排列，纳米孔直径为800nm、600nm、400nm时，孔中均形成了金纳米柱，且孔直径越大柱子越高。

Claims (5)

1.快速制备金纳米柱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：清洗Si片，并在Si片表面镀金；
将Si片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，洗耳球吹干,先镀一层5nm厚的铬，再镀一层厚度约为60nm的金；
步骤二：用电子束曝光技术或者激光干涉光刻技术在镀金后的Si片上制备不同直径的纳米孔阵列；
步骤三：制备金纳米柱；
a、将步骤二中带有纳米孔阵列的镀金Si片固定在烧杯中；
b、向烧杯中注入氯金酸溶液，用磁力搅拌器搅拌，加热至沸腾，然后迅速加入一定量的柠檬酸钠溶液，共同加热煮沸10min，停止加热后继续搅拌15min，搅拌结束后冷却至室温；
c、取出步骤b中的基底，并在室温下静置晾干，即可得到受纳米孔结构制约的、排列规整的金纳米柱。
2.根据权利要求1所述的快速制备金纳米柱的方法，其特征在于，在步骤二中选择电子束曝光技术在镀金后的Si片上制备不同直径的纳米孔阵列具体操作步骤为：
a、在镀金的Si片上旋涂电子抗蚀剂，然后进行前烘；
b、使用电子束曝光设备在此电子抗蚀剂上进行曝光，显影后得到不同直径的纳米孔阵列；
使用电子束曝光设备上的DesignCAD21软件绘制出直径不同的的多组阵列图案，并生成run file文件；在加速电压为30kV，曝光剂量为140μC/cm2的情况下，在电子抗蚀剂上进行曝光，显影后得到不同直径的纳米孔阵列。
3.根据权利要求1所述的快速制备金纳米柱的方法，其特征在于，在步骤二中选择用激光干涉光刻技术在镀金后的Si片上制备不同直径的纳米孔阵列具体操作步骤为：
a、在镀金的Si片上旋涂一层光刻胶，然后进行前烘；
b、搭建多光束激光干涉系统，在光刻胶上制备不同直径的纳米孔阵列；
使用波长为355nm的高功率固体激光器、高反镜、分光镜、半波片和偏振片搭建多光束激光干涉系统，设定曝光时间和曝光能量，在光刻胶上进行曝光，通过调节空间角、入射角、偏振角、干涉光强和曝光时间等参数，显影后可得到不同直径的纳米孔阵列。
4.根据权利要求1所述的快速制备金纳米柱的方法，其特征在于，在步骤三中将带有纳米孔阵列的镀金Si片固定在烧杯中具体为：使用双面胶将带有纳米孔阵列的镀金Si片正面朝上粘贴在L型塑料棒或者玻璃棒的底端，再将塑料棒或者玻璃棒粘贴在烧杯内壁上，带有纳米孔阵列的镀金Si片的上表面低于随后加入的由去离子水、氯金酸和柠檬酸钠组成的反应溶液的液面高度。
5.根据权利要求1所述的一种快速制备金纳米柱的方法，其特征在于，步骤二中不同直径的纳米孔阵列，具体为：直径为800nm，600nm和400nm，周期为2um。
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