CN110117802A - 一种多级三维微观结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级三维微观结构的制备方法，本发明通过逐步电沉积法，在无模板、无表面活性剂的情况下制备出了前所未有的复杂多级结构。通过控制逐步电沉积过程中的电压和/或时间，实现可编程构筑精细复杂的微尺度结构。通过上述方法得到的鱼雷状结构的Ag₇O₈NO₃能与H₂O₂反应生成大量的气泡，产生的气泡作为驱动力推动微米鱼雷状结构的Ag₇O₈NO₃在极低浓度H₂O₂(0.2wt％)中移动速度为190μm/s。通过上述方法得到的尖端极细金字塔结构的Ag₇O₈NO₃,在其表面铺一层100nm的金作，由于尖端的电场分布集中有增强拉曼信号的效果，可作为表面增强拉曼散射的基底。

Description

一种多级三维微观结构的制备方法

技术领域

本发明属于电化学沉积体系，特别涉及通过调控逐步电沉积过程中的电压和/或电沉积时间，实现多级复杂三维结构的可控制备。

背景技术

合理设计三维多级复杂微/纳米结构在许多领域都有重要的基础作用，例如光电子学、催化、抗反射、润湿性和生物学领域。目前，通过自上而下的平板印刷结合一些附加的步骤可以制备得到多种复杂微观结构的材料，但是这种制备复杂微观结构的方法不仅费时费力、代价昂贵，而且不能够在微米尺度做到精雕细琢。目前通过自下而上制备微米材料的方法很多，例如常见的化学汽相沉积(CVD)和湿化学法是制备微米尺度一维纳米线、二维膜和界线清楚的纳米颗粒有效的方法。然而，用上述的方法整合两个结构组成一个分级三维结构是十分困难的，不仅需要复杂的步骤而且控制材料结构的能力有限。因此，实现能够合理设计构筑复杂微观结构和组分的方法是十分必要的。

电化学沉积(ECD)是目前在工业领域合成技术中最简单也是发展时间较久的合成方法之一。但是电化学合成在控制合成材料尺寸上是很少报道的，用该方法合成3D微结构就更加罕见了。

氧化银笼状体(Ag₇O₈)X结构是由Ag₆O₈笼子包裹X阴离子，其中X阴离子包含NO₃ ^-,HSO₄ ^-,ClO₄ ^-,F^-,BF₄ ^-。这个材料主要的合成方法是电沉积AgNO₃溶液，在阳极发生的半反应方程式为：7Ag⁺(aq)+NO₃ ^-+8H₂O＝Ag₇O₈NO₃(s)+10e^-+16H⁺。氧化银笼状体需要在强氧化的环境下制备，因此这种材料属于热力学不稳定材料，甚至室温下在空气中自身降解为AgO_x或其他衍生物。目前为止，合成氧化银笼状体的方法，大多因为Ag+离子浓度、溶液PH值或阴离子的选择等原因导致合成的氧化银笼状体中含有银的氧化物，如：Ag₃O₄、Ag₂O₄、Ag₂O和Ag₂O₂。目前有多种合成氧化银笼状体的方法，例如外延生长法、紫外光催化AgNO₃等方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出在没有模板和表面活性剂帮助的情况下，通过电解液的电导率的合理设置来精确控制生长优势位点，进一步通过简单的调控逐步电沉积过程中的电压和/或电沉积时间，实现构筑复杂多级三维结构。

本发明所提供的技术方案为：一种多级三维微观结构的制备方法，所述的方法为通过电化学方法在同一电解液中进行两步以上的沉积，获得具有多级三维微观结构的产物，其中沉积用的电解液的电导率小于产物的电导率，且相邻的两步沉积电压不同。在第一步的沉积中形成初级的单晶结构，在第二步以上的沉积中，由于单晶结构的顶端电场增强，形成进一步沉积的优势位点，从而在优势位点处进一步沉积生长得到多级结构。根据时域有限差分法(FDTD)的模拟结果可知，如图7所示。当电解液的电导率小于产物的电导率时，沉积产物的顶点会有电场增强从而形成生长的优势位点，后续沉积步骤的产物则在优势位点生长。

由于不同电压下得到的沉积产物不同，高低电压相互合作也可以得到全新的微结构，因此通过控制电沉积的电压和时间可以精细设计三维复杂微观结构。因此，本发明还通过控制各步沉积电压的变化，实现对多级三维微观结构的形貌控制。

进一步地，所述多级三维微观结构为(Ag₇O₈)NO₃，电解液为0.06M AgNO₃和0.16MH₃BO₃的混合溶液。

进一步地，在第一步电沉积后，形成金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃，即初级的单晶结构；然后在后续的电沉积过程中，若增大电压进行沉积，则得到如下形貌：

增大至5～10V的沉积电压进行沉积，得到有凹面的金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃；

增大至10～25V的沉积电压进行沉积，得到树枝状结构的(Ag₇O₈)NO₃；

增大至25V以上的沉积电压进行沉积，得到纳米线结构的(Ag₇O₈)NO₃。

若先增大电压然后减小电压进行沉积，在足够长时间的情况下得到立方柱结构的(Ag₇O₈)NO₃。

具体的，第一步电沉积得到金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃；在后续步骤的电沉积中，先升高电压再降低电压，再多次升高电压得到界线分明的3级以上结构。

具体的，第一步电沉积得到类金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃；在后续步骤的电沉积过程中，在2～30V范围内，逐步减小沉积电压进行沉积，得到鱼雷结构的(Ag₇O₈)NO₃。

具体的，第一步电沉积得到类金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃；在后续步骤的电沉积过程中，在2～30V范围内，逐步增大沉积电压进行沉积，得到埃菲尔铁塔结构的(Ag₇O₈)NO₃。

进一步地，第一步电沉积采用的电压为1.5～5V，沉积时间60～200s；第二步采用的电压为5～25V，沉积时间40～120s；第三步采用的电压为1.5～5V，沉积时间60～200s；第三步以上步骤沉积电压为5～25V，沉积时间为40～120s。

进一步地，第一步电沉积采用的电压为30V以下，沉积时间为1s以内；后续的沉积步骤采用连续线性扫描的模式进行电沉积，每一步的沉积时间相同。

进一步地，沉积体系中，金片为工作电极，碳棒为对电极。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明所提供的电化学体系，只需要调节电化学沉积过程中的沉积电压和/或电沉积时间，可以实现微米尺度下制备多级复杂三维结构，解决了目前在无模板、无表面活性剂的情况下电沉积形貌、尺寸可编程设计的复杂三维结构的。

本发明还将上述方法用于制备特殊形貌的(Ag₇O₈)NO₃，这种特殊形貌的(Ag₇O₈)NO₃有望在定向催化、微米马达、定向载药、靶向治疗癌症、深伤口治疗、糖尿病检测等领域得到广泛应用。

附图说明

图1为实例1和实例2中制备三级结构的Ag₇O₈NO₃微米材料的A、笼状体结构的示意图；B、X射线衍射图；C、三级结构示意图；D、扫描电子显微镜图；

图2为实例3中制备的多级Ag₇O₈NO₃微米材料。A、多极结构的生长示意图。B、纳米_树结构在不同电压下的生长演变的扫描电子显微图；

图3为实例4中通过多步电沉积得到的五级结构，图A为五级结构的电压波形图，图B、C为五级结构的电子显微图；

图4为实例5中以不同扫描速率从低电压到高电压电沉积得到的微结构的电子显微镜图；

图5为实例6中以不同扫描速率从高电压到低电压电沉积得到的微结构的电子显微镜的顶视图和断面图；

图6A、B为应用例1中鱼雷状Ag₇O₈NO₃微米机器人的运动示意图和显微镜下的运动截图；C为尖端极细的埃菲尔铁塔结构的Ag₇O₈NO₃和金子塔结构的Ag₇O₈NO₃扫描电子显微镜图，D为以尖端极细的埃菲尔铁塔结构的Ag₇O₈NO₃和金子塔结构的Ag₇O₈NO₃为衬底检测10^-3M罗丹明B(R6G)的拉曼光谱图；

图7为Ag₇O₈NO₃微米金字塔时域有限差分法(FDTD)模拟结果。

具体实施方式

实施例1

(1)取一片硅片，放在蒸镀仪中。第一层蒸镀2nm钛作为缓冲层，第二层蒸镀50nm金，蒸镀速度保持在0.1nm/s。把蒸镀好的硅片切割为1cm×1.5cm大小，得到工作电极。得到的工作电极分别放在乙醇、去离子水中超声清洗10min。

(2)取0.06M AgNO₃和0.16M H₃BO₃溶于50ml去离子水中得到电解液。

(3)在简单的两电极系统里，以(1)中制备的电极为工作电极，直径为2mm的碳棒为对电极，工作电极和对电极的距离保持在4cm。电沉积温度保持在25℃，也就是室温。在两电极系统里，选用恒电压模式。

(4)先从最简单的结构开始，我们首先通过电沉积法制备了二级结构。第一步，我们在1.5V下沉积2min得到一级结构，二级结构在得到的一级结构的尖端生长，二级结构的形貌和尺寸取决于二次电沉积的电压和电沉积时间，如图1D所示，在1.5V 2min得到表面光滑的金字塔结构；二次电沉积5V 4s得到有凹面的金字塔结构，如图1D过程1a所示；随着时间延长尖端长大如过程1b所示；改变二次电沉积电压到10V得到更加凹的二级结构如过程1c所示。

实施例2

(1)取一片硅片，放在蒸镀仪中。第一层蒸镀2nm钛作为缓冲层，第二层蒸镀50nm金，蒸镀速度保持在0.1nm/s。把蒸镀好的硅片切割为1cm×1.5cm大小，得到工作电极。得到的工作电极分别放在乙醇、去离子水中超声清洗10min。

(2)取0.06M AgNO₃和0.16M H₃BO₃溶于50ml去离子水中得到电解液。

(3)在简单的两电极系统里，以(1)中制备的电极为工作电极，直径为2mm的碳棒为对电极，工作电极和对电极的距离保持在4cm。电沉积温度保持在25℃，也就是室温。在两电极系统里，选用恒电压模式。

(4)我们首先通过电沉积法制备了二级结构。第一步，我们在1.5V下沉积2min得到一级结构，二次电沉积5V 4s得到有一点尖端如图1D过程1a所示，继续电沉积三级结构过程2a和2b所示，因为二级结构比较小，因此三级结构生长直接包住了二级结构。并且随着电压的增大，三级结构由10V下杨桃状变为20V的树枝状。但是如果二级结构的尺寸相对较大，那么三级结构就可以生长在原来的二级结构上，如过程2c所示，二级结构很明显。

实施例3

(1)取一片硅片，放在蒸镀仪中。第一层蒸镀2nm钛作为缓冲层，第二层蒸镀50nm金，蒸镀速度保持在0.1nm/s。把蒸镀好的硅片切割为1cm×1.5cm大小，得到工作电极。得到的工作电极分别放在乙醇、去离子水中超声清洗10min。

(2)取0.06M AgNO₃和0.16M H₃BO₃溶于50ml去离子水中得到电解液。

(3)在简单的两电极系统里，以(1)中制备的电极为工作电极，直径为2mm的碳棒为对电极，工作电极和对电极的距离保持在4cm。电沉积温度保持在25℃，也就是室温。在两电极系统里，选用恒电压模式。

(4)首先用1.5V 2min得到一级结构，然后在5V 4s，继续电沉积10V 4s得到三级结构，继续在小电压下沉积如1.5V 45s，杨桃结构的三级结构慢慢演化为长方体结构如图2过程3a’和3a”所示，继续电沉积会得到如过程4a在长方体上的树枝状或者如过程4b在金字塔上的凹陷的金字塔结构。4a过程得到的树枝状结构，继续在低电压下电沉积1.5V 90s，树枝状结构会演化为长方体结构。如果继续电沉积5V 4s和20V 4s会得到复杂多级结构如过程6a所示，这个结构中能明显看到多部电沉积的控制的分级结构中每一步沉积留下的痕迹。

实施例4

(1)取一片硅片，放在蒸镀仪中。第一层蒸镀2nm钛作为缓冲层，第二层蒸镀50nm金，蒸镀速度保持在0.1nm/s。把蒸镀好的硅片切割为1cm×1.5cm大小，得到工作电极。得到的工作电极分别放在乙醇、去离子水中超声清洗10min。

(2)取0.06M AgNO₃和0.16M H₃BO₃溶于50ml去离子水中得到电解液。

(3)在简单的两电极系统里，以(1)中制备的电极为工作电极，直径为2mm的碳棒为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，工作电极和对电极的距离保持在4cm。电沉积温度保持在25℃，也就是室温。在三电极系统里，选用多步恒电压模式。

(4)基于我们对笼状体多级结构的理解，我们使用上海晨华chi760e电化学工作站，选用多步恒电压模式，先用2V的电压沉积120s得到一级金字塔结构，然后用4.5V电压沉积20s，在用小电压2V沉积120s，得到立方柱结构，继续升高电压到6.5V沉积10s，然后升高到10V沉积5s，最后升高到20V沉积2s，得到复杂的5级结构，从图中可以清楚的看到各步沉积留下的痕迹，如图3所示。

实施例5

(1)取一片硅片，放在蒸镀仪中。第一层蒸镀2nm钛作为缓冲层，第二层蒸镀50nm金，蒸镀速度保持在0.1nm/s。把蒸镀好的硅片切割为1cm×1.5cm大小，得到工作电极。得到的工作电极分别放在乙醇、去离子水中超声清洗10min。

(2)取0.06M AgNO₃和0.16M H₃BO₃溶于50ml去离子水中得到电解液。

(3)在简单的两电极系统里，以(1)中制备的电极为工作电极，直径为2mm的碳棒为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，工作电极和对电极的距离保持在4cm。电沉积温度保持在25℃，也就是室温。在三电极系统里，选用线性伏安模式。

(4)基于我们对笼状体多级结构的理解，我们使用上海晨华chi760e电化学工作站，选用线性伏安模式，沉积电压从2V到10V，沉积时间分别是5s、10s和20s，相应的沉积速率分别为1.6V/s、0.8V/s和0.4V/s。如图4所示，可看到不同的沉积速率得到的结构不同，沉积速率快时电沉积腐蚀明显，尖端明显，随着电沉积速率变慢，此时电沉积生长越来越明显，得到的结构越饱满，最后形成埃菲尔铁塔结构，如图3所示。

实施6

(1)取一片硅片，放在蒸镀仪中。第一层蒸镀2nm钛作为缓冲层，第二层蒸镀50nm金，蒸镀速度保持在0.1nm/s。把蒸镀好的硅片切割为1cm×1.5cm大小，得到工作电极。得到的工作电极分别放在乙醇、去离子水中超声清洗10min。

(2)取0.06M AgNO₃和0.8M H₃BO₃溶于50ml去离子水中得到电解液。

(3)在简单的两电极系统里，以(1)中制备的电极为工作电极，直径为2mm的碳棒为对电极，工作电极和对电极的距离保持在4cm。电沉积温度保持在25℃，也就是室温。在三电极系统里，选用循环伏安模式沉积。

(4)基于我们对笼状体多级结构的理解，我们使用上海晨华chi760e电化学工作站，选用线性伏安模式，沉积电压从10V到2V，扫描速分别是0.05V/s、0.25V/s、0.5V/s和0.75V/s。结果如图4所示，高电压到低电压下结构自下而上越来越大。扫描速率越小，得到的结构头与底座的比越大，如图5B所示的顶视图和图C所示的断面图。扫描速率越慢，结构顶端的金字塔结构越完整。

应用例1

实施例6得到的鱼雷状的Ag₇O₈NO₃结构在极低浓度的H₂O₂(0.2wt％)溶液中可以快速运动，运动速度可到190μm/s。Ag₇O₈NO₃微米鱼雷主要的驱动力是Ag₇O₈NO₃与H₂O₂反应持续放出氧气气泡，鱼雷状结构的Ag₇O₈NO₃由于两端结构不对称，其中形貌尺寸比较大的一端反应更剧烈，也就是形貌尺寸大的一端放出的气泡更多，从而推动Ag₇O₈NO₃微米鱼雷向细的方向快速移动，反应方程式为4Ag₇O₈NO₃+3H₂O₂＝28Ag+18O₂↑+2H₂O+4HNO₃。随着反应的进行，由于鱼雷状Ag₇O₈NO₃中Ag₇O₈NO₃慢慢变为Ag单质，反应物越来越少，因而产生气泡的频率越来越小，0.5h后Ag₇O₈NO₃微米鱼雷的运动速度降到16μm/s，最后停止运动，如图6A、B所示。

应用例2

在实施例5制备得到的埃菲尔铁塔结构上蒸镀一层100nm金作为表面增强拉曼散射(SER)基底检测有机分子(R6G)。根据时域有限差分法(FDTD)模拟结果可知Ag₇O₈NO₃金字塔结构顶端有强的电磁场增强如图7所示，强的电磁场会导致吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射(NRS)信号强。我们取5μl10^-3M R6G溶液滴到1cm²制备好的工作电极，得到的拉曼信号如图6D所示，金字塔结构的Ag₇O₈NO₃尖端的SER信号大于金基底的SER信号，正是因为金字塔结构的Ag₇O₈NO₃在尖端有局部电场增强效应，当我们把金字塔顶端做的非常细时，尖端的局部电场增强效应更明显，得到的SER信号也就更强。

Claims (10)

1.一种多级三维微观结构的制备方法，其特征在于，所述的方法为通过电化学方法在同一电解液中进行两步以上的沉积，获得具有多级三维微观结构的产物，其中沉积用的电解液的电导率小于产物的电导率，且相邻的两步沉积电压不同。

在第一步的沉积中形成初级的单晶结构，在第二步以上的沉积中，由于单晶结构的顶端电场增强，形成进一步沉积的优势位点，从而在优势位点处进一步沉积生长得到多级结构。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过控制各步沉积电压的变化，实现对多级三维微观结构的形貌控制。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多级三维微观结构为(Ag₇O₈)NO₃，电解液为0.06 M AgNO₃和0.16 M H₃BO₃的混合溶液。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在第一步电沉积后，形成金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃，即初级的单晶结构；然后在后续的电沉积过程中，若增大电压进行沉积，则得到如下形貌：

增大至5~10V的沉积电压进行沉积，得到有凹面的金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃；

增大至10~25V的沉积电压进行沉积，得到树枝状结构的(Ag₇O₈)NO₃；

增大至25V以上的沉积电压进行沉积，得到纳米线结构的(Ag₇O₈)NO₃。

若先增大电压然后减小电压进行沉积，在足够长时间的情况下得到立方柱结构的(Ag₇O₈)NO₃。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，该方法为，第一步电沉积得到金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃；在后续步骤的电沉积中，先升高电压再降低电压，再多次升高电压得到界线分明的3级以上结构。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，该方法为，第一步电沉积得到类金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃；在后续步骤的电沉积过程中，在2~30V范围内，逐步减小沉积电压进行沉积，得到鱼雷结构的(Ag₇O₈)NO₃。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，该方法为，第一步电沉积得到类金字塔结构的(Ag₇O₈)NO₃；在后续步骤的电沉积过程中，在2~30V范围内，逐步增大沉积电压进行沉积，得到埃菲尔铁塔结构的(Ag₇O₈)NO₃。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，第一步电沉积采用的电压为1.5~5V，沉积时间60~200s；第二步采用的电压为5~25V，沉积时间40~120s；第三步采用的电压为1.5~5V，沉积时间60~200s；第三步以上步骤沉积电压为5~25V，沉积时间为40~120s。

9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，第一步电沉积采用的电压为30V以下，沉积时间为1s以内；后续的沉积步骤采用连续线性扫描的模式进行电沉积，每一步的沉积时间相同。

10.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，沉积体系中，金片为工作电极，碳棒为对电极。