CN109713109A - 一种薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种薄膜及其制备方法与应用，所述薄膜由介质和纳米金属颗粒构成，沿所述薄膜的厚度方向，所述纳米金属颗粒的尺寸逐渐增大。本发明提供了一种具有渐变结构的薄膜，沿所述薄膜的厚度方向，所述纳米金属颗粒的尺寸逐渐增大，这样可以获得较为宽广的激发峰。并且激发峰可以调整，针对不同的发光光源，可以应用不同的渐变方式，从而解决短波长容易淬灭的问题。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜领域，尤其涉及一种薄膜及其制备方法与应用。
背景技术
表面等离子增强效应（surface plasma enhancement SPE）是无机纳米材料的另一令人着迷的性质。如对于币族金属，如银、金、铜，其纳米尺寸下的单体会对特定波长的外界电磁波的激发产生共振，达到增强信号的效果。这同样可以用于光电转换器件。例如，对发光显示二极管，纳米金粒子带来的表面增强效应可用于放大半导体材料发出的光，从而提升发光效率。同时，纳米金粒子也可以分散在溶剂体系中，以便于进行后续旋涂、喷涂、喷墨打印等加工工艺。但是现有的无机纳米材料其增强信号的效果仍有待提高，应用于光电转换器件其发光效率仍较低。
之前的表面等离子增强效应主要通过真空方法制备特殊结构获得，通过单独沉积纳米金属层获得。这些工艺对于大面积、溶液加工法制备光电子器件来说成本较高、制备工艺复杂、重复性差、无法量产等。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有渐变结构的表面等离子增强薄膜（薄膜）及其制备方法与应用，旨在提供一种具有渐变结构的薄膜，达到增强信号的效果。
本发明的技术方案如下：
一种薄膜，其中，所述薄膜由介质和纳米金属颗粒构成，沿所述薄膜的厚度方向，所述纳米金属颗粒的尺寸逐渐增大。
所述的薄膜，其中，所述薄膜为介质和纳米金属颗粒形成的共熔混合物或固溶体。
所述的薄膜，其中，所述介质为有机介质和无机介质中的至少一种。
所述的薄膜，其中，所述有机介质为PMMA、PE中的至少一种；
所述的薄膜，其中，所述无机介质为SiO2、CaSO4、SiC、SiN、LiF、BN中的至少一种。
所述的薄膜，其中，所述纳米金属颗粒为纳米Au、纳米Ag、纳米Cu、纳米Fe、纳米Ni、纳米Pt中的至少一种。
所述的薄膜，其中，所述薄膜的厚度为5-100nm。
一种薄膜的制备方法，其中，包括步骤：采用真空方法，对介质和纳米金属颗粒进行分阶段沉积，并控制每个阶段纳米金属颗粒的沉积速率，形成为介质和尺寸渐变的纳米金属颗粒组成的薄膜；
或采用真空方法交替沉积介质和纳米金属颗粒，并采用蚀刻方法对每个阶段的介质进行蚀刻，形成由介质和尺寸渐变的纳米金属颗粒组成的薄膜。
所述的薄膜的制备方法，其中，所述真空方法为蒸镀法或溅射法。
一种薄膜的应用，其中，将所述薄膜用于制备半导体器件，所述半导体器件还包括光源。
有益效果：本发明提供了一种具有渐变结构的薄膜，沿所述薄膜的厚度方向，所述纳米金属颗粒的尺寸逐渐增大，这样可以获得较为宽广的激发峰。并且激发峰可以调整，针对不同的发光光源，可以应用不同的渐变方式，从而解决短波长容易淬灭的问题。
附图说明
图1为本发明不同尺寸的纳米金的薄膜、及光源位于薄膜不同测时获得的紫外-可见光吸收强度峰。
图2为本发明薄膜中介质与纳米金属颗粒形成共熔混合物的结构示意图。
图3为本发明实施例1中器件的发光光谱图。
图4为本发明实施例2中器件的发光光谱图。
具体实施方式
本发明提供一种薄膜及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种薄膜，其中，所述薄膜由介质和纳米金属颗粒构成，沿所述SPE薄膜的厚度方向，所述纳米金属颗粒的尺寸逐渐增大。
本发明所述纳米金属颗粒的尺寸逐渐增大，形成金属渐变层。填充于介质中的金属渐变层，金属的尺寸分布较广，同时兼具沿金属表面方向和垂直于金属表面方向的两种电子共振方式，且电子共振方式由于尺寸的不同发生改变，从而可以获得较广的激发峰。并且激发峰可以调整，针对不同的发光光源，可以应用不同的渐变方式，从而解决短波长容易淬灭的问题。如图1所示，以纳米金为例，3个不同尺寸大小的纳米金A、纳米金B、纳米金C，其尺寸由小到大，图中标记A、B、C的三条曲线分别为单独含有纳米金A、纳米金B、纳米金C的薄膜获得的紫外-可见光吸收强度峰；图中的虚线和实现为薄膜中含有纳米金A、纳米金B、纳米金C三种尺寸渐变的纳米金，光源分别位于两侧时的紫外-可见光吸收强度峰。本发明沿所述薄膜的厚度方向，所述纳米金属颗粒的尺寸逐渐增大，形成金属渐变层。进一步地，所述薄膜中，介质和纳米金属颗粒形成共熔混合物或固溶体或者两者兼具。优选地，介质1和纳米金属颗粒2形成共熔混合物，见图2所示，以确保金属本身的等离子共振性质不发生改变，所述薄膜中按照从下往上，所述纳米金属颗粒2的尺寸逐渐增大。
进一步地，所述介质为有机介质和无机介质中的至少一种。例如，所述有机介质为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯（PE）中的至少一种。所述无机介质为SiO2、CaSO4、SiC、SiN、LiF、BN中的至少一种。
进一步地，所述纳米金属颗粒为为纳米Au、纳米Ag、纳米Cu、纳米Fe、纳米Ni、纳米Pt中的至少一种。
本发明还提供一种薄膜的制备方法，其中，包括步骤：
采用真空方法，对介质和纳米金属颗粒进行分阶段沉积，并控制每个阶段纳米金属颗粒的沉积速率，在基底上形成由介质和尺寸渐变的纳米金属颗粒组成的薄膜；
或采用真空方法交替沉积介质和纳米金属颗粒，并采用蚀刻方法对每个阶段的介质进行蚀刻，在基底上形成由介质和尺寸渐变的纳米金属颗粒组成的薄膜。
进一步地，所述真空方法可以为常规的蒸镀法或溅射法。本发明制备方法通过控制纳米金属颗粒在不同的蒸镀速率或溅射速率下分阶段沉积，形成一个可控的尺寸渐变的薄膜。本发明制备方法也可以通过真空方法与蚀刻方法相结合，制备出可控的尺寸渐变的薄膜。薄膜中纳米金属颗粒尺寸及分布、薄膜厚度等参数可控，且重复性好。
本发明中纳米金属颗粒可以是一种纳米金属颗粒或者多种纳米金属颗粒，当为多种纳米金属颗粒时，可以将纳米金属颗粒进行混合，控制混合纳米金属颗粒的沉积速率，也可以分别控制不同纳米金属颗粒的沉积速率。
本发明还提供一种薄膜的应用，其中，将所述薄膜用于制备半导体器件，所述半导体器件还包括光源。所述光源可以是照明光源，也可以是其它电致发光或光致发光的发光单元，如量子点发光单元、有机发光单元。
薄膜通过吸收光源发射的光，来增强光源的发光效果。这是因为纳米金属颗粒表面的自由电子与光源发射的光子相互作用，产生沿纳米金属颗粒表面传播的表面等离子体，它会产生电场，与光源发射的电磁波产生共振，从而达到增强光源发光的效果。本发明所述薄膜与光源的距离为10-20nm。薄膜的增强效果和薄膜的发布与光源的距离有关，通过控制所述具有渐变结构的薄膜与光源的实际距离，可以平衡淬灭和增强的关系。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供的一种薄膜：所述薄膜由LiF和金属Cu构成，所述薄膜的厚度为30nm，所述薄膜为渐变尺寸形成的渐变结构：沿所述薄膜的厚度方向，金属Cu尺寸的大小从0.5nm渐变到5nm。
上述具有渐变结构的薄膜的制备方法为：渐变结构通过分阶段控制LiF和Cu的蒸镀速率实现，具体步骤如下：
在干净的基板上蒸镀1nmLiF，后通过0.01nm/s的速率蒸镀60s的Cu，由于蒸镀速率很低，Cu在LiF表面先形成颗粒或团聚，此阶段Cu的平均直径在0.5nm；蒸镀3nm的LiF，后通过0.07nm/s的速率蒸镀30s的Cu，在LiF表面形成平均直径在2nm的Cu的团簇或颗粒；继续蒸镀5nm的LiF，后通过0.09nm/s的速率蒸镀Cu，0.012nm/s速率蒸镀LiF，共同蒸镀50s，得到尺寸直径在4nm的Cu的团簇或颗粒；最后蒸镀10nm的LiF。
一种半导体器件，包括光源和上述薄膜，光源设置在距离所述薄膜10nm处，且光源位于所述薄膜中Cu纳米颗粒尺寸变大的一侧。对应的半导体器件的发光光谱图见图3，从图3可知，发射光经薄膜增强后，具有较强的发光峰，显示的3个发光峰对应3种尺寸的Cu颗粒的发光峰。发射光经薄膜增强后，具有三个强度峰，三个强度峰为经三种尺寸的Cu纳米颗粒增强之后发光峰。
实施例2
本实施例提供的一种薄膜：所述薄膜由无定型氮化硼和金属Au构成。
上述薄膜的制备步骤如下：
在干净的基板上溅射厚度为10nm的氮化硼层，通过离子束刻蚀氮化硼表面，离子束的能量为100W，离子束刻蚀的时间为3min，在氮化硼层表面形成多个尺寸为10nm的孔，然后在孔中溅射Au纳米颗粒，形成尺寸为10nm左右的Au纳米颗粒；溅射厚度为20nm的氮化硼层覆盖上述10nm左右的Au纳米颗粒和氮化硼，通过离子束刻蚀氮化硼层表面，离子束的能量为200W，离子束刻蚀的时间为100s，在氮化硼层表面形成多个尺寸为5nm的孔，然后在孔中溅射Au纳米颗粒，形成尺寸为5nm左右的Au纳米颗粒；溅射厚度为20nm的氮化硼层覆盖上述5nm左右的Au纳米颗粒和氮化硼，通过离子束刻蚀氮化硼层表面，离子束的能量为200W，离子束刻蚀的时间为50s，在氮化硼层表面形成多个尺寸为5nm的孔，然后在孔中溅射Au纳米颗粒，形成尺寸为2nm左右的Au纳米颗粒。
一种半导体器件，包括光源和上述薄膜，光源设置在距离所述薄膜20nm处，且光源位于所述薄膜中Au纳米颗粒尺寸变小的一侧。对应的半导体器件的发光光谱图见图4，从图4可知，发射光经薄膜增强后，具有三个强度峰，三个强度峰为经三种尺寸的Au纳米颗粒增强之后发光峰。
综上所述，本发明的一种薄膜及其制备方法与应用。本发明沿所述薄膜的厚度方向，所述纳米金属颗粒的尺寸逐渐增大，这样可以获得较为宽广的激发峰。并且激发峰可以调整，针对不同的发光光源，可以应用不同的渐变方式，从而解决短波长容易淬灭的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜，其特征在于，所述薄膜由介质和纳米金属颗粒构成，沿所述薄膜的厚度方向 ，所述纳米金属颗粒的尺寸逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述薄膜为介质和纳米金属颗粒形成的共熔混合物或固溶体。
3.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述介质为有机介质和无机介质中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的薄膜，其特征在于，所述有机介质为PMMA、PE中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的薄膜，其特征在于，所述无机介质为SiO2、CaSO4、SiC、SiN、LiF、BN中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述纳米金属颗粒为纳米Au、纳米Ag、纳米Cu、纳米Fe、纳米Ni、纳米Pt中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述薄膜的厚度为5-100nm。
8.一种薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：采用真空方法，对介质和纳米金属颗粒进行分阶段沉积，并控制每个阶段纳米金属颗粒的沉积速率，形成由介质和尺寸渐变的纳米金属颗粒组成的薄膜；
或采用真空方法交替沉积介质和纳米金属颗粒，并采用蚀刻方法对每个阶段的介质进行蚀刻，形成包括介质和尺寸渐变的纳米金属颗粒的薄膜。
9.根据权利要求8所述的薄膜的制备方法，其特征在于，所述真空方法为蒸镀法或溅射法。
10.一种如权利要求1-7任一所述薄膜的应用，其特征在于，将所述薄膜用于制备半导体器件，所述半导体器件还包括光源。
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