CN110333564A - 一种基于聚焦离子束刻蚀制备的范德华激元材料微纳结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于聚焦离子束刻蚀制备的范德华激元材料微纳结构及其制备方法。所述方法包括如下步骤：S1：利用聚焦离子束对范德华层状材料进行刻蚀得到微纳结构；S2：将所制得的微纳结构置于100～1000℃下退火2～3h，即得到所述范德华激元材料微纳结构。本发明利用退火工艺对刻蚀后的微纳结构进行处理，可有效地使得样品表面的激元效应恢复。本发明提供的制备方法工艺简单，可以有效减少离子轰击对激元材料表面的影响，使得微纳结构仍然具有激元效应，为制备激元材料的微纳结构提供了一种新的手段。
Description
技术领域
本发明属于纳米光学、纳米材料领域，具体涉及一种基于聚焦离子束刻蚀制备的范德华激元材料微纳结构及其制备方法。
背景技术
激元材料是指具有极化激元效应(表面等离激元效应、声子极化激元等)的材料。等离激元是存在于金属与介质界面处的一种电磁波模式，如果从固体物理的角度理解，其图像为金属表面的自由电子的集体振荡。根据激发方式不同可以分为两类，一种是表面等离极化激元，另一种是局域表面等离激元。声子极化激元是声子与电磁波的耦合振荡模式。近年来，具有表面等离激元和声子极化激元现象的激元材料微纳结构受到物理、光学、电子技术等领域的关注，由于两种激元都能对外界电磁场形成局域以及近场增强的效果，从而可以将外界的电磁场束缚在亚波长的结构中。将此特性应用于光学领域，则可以有效的将光束限制在微纳米结构中，从而突破传统光学衍射极限的限制，实现对“光”在微纳尺度下的精细调控。
范德华材料是由成对的超薄层组成，这些超薄层由弱范德华键结合在一起。近几年研究发现，三氧化钼、氮化硼、石墨烯等范德华材料具有丰富的极化激元模式。研究范德华材料微纳结构的极化激元效应对在微纳尺度下研究光与物质相互作用、光场操控与局域以及纳米光子器件的应用等具有重要的意义。另外，关于范德华层状材料极化激元的研究仍然处在初级阶段，特别是极化激元光场局域的空间分布比较单一，利用范德华激元材料的微纳结构实现对其光场局域分布进行剪裁，将其限制局域在特定的区域内，是实现纳米尺度下光与物质相互作用增强的关键科学和技术问题。
微纳结构的制备方法有电子束曝光、极紫外干涉光刻、孔洞掩膜胶体光刻、热蒸发等。其中利用最多的是电子束曝光，电子束曝光是指使用电子束在材料表面上制造图样的工艺，是光刻技术的延伸应用。然而，这些方式制备的微纳结构工艺复杂，且后期存在残胶对激元现象影响较大。另一面，聚焦离子束技术是通过透镜系统将液态离子源发射的离子聚焦并轰击于材料表面，实现材料在亚微米和纳米尺度进行加工的工艺。聚焦离子束技术同时也存在离子残留在材料表面，离子对材料表面存在损伤等问题。
因此，开发一种可减小加工过程对材料表面损伤的制备激元材料微纳结构的方法具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于聚焦离子束刻蚀制备范德华激元材料微纳结构的方法，克服现有技术中制备激元材料微纳结构存在离子残留，对材料表面造成损伤的缺陷和不足。本发明提供的制备方法可减小离子对材料表面的损伤，使得微纳结构恢复激元现象，解决了聚焦离子束对材料表面的损伤所造成激元效应消失的问题，工艺简便。
本发明的另一目的在于提供一种范德华激元材料微纳结构。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于聚焦离子束刻蚀制备范德华激元材料微纳结构的方法，包括如下步骤：
S1：利用聚焦离子束对激元材料进行刻蚀得到微纳结构；
S2：将所制得的微纳结构置于100～1000℃下退火时间为2～3h，即得到所述范德华激元材料微纳结构。
基于传统的微纳结构的制备方法，电子束曝光等需要涂光刻胶，曝光显影等工艺，造成工艺复杂且残胶对激元材料影响较大。相比之下，聚焦离子束技术无须光刻胶及接下来的蚀刻，能利用聚焦离子束对样品直接刻出所需图案。然而，聚焦离子束刻蚀也存在样品表面的离子残留和注入，以及对样品损伤的问题。
本发明的发明人经过多次研究发现，利用退火工艺对经聚焦离子束刻蚀后的微纳结构进行处理，可有效地使得样品表面的激元效应恢复。本发明提供的制备方法工艺简单，可以有效减少离子轰击对激元材料表面的影响，使得微纳结构仍然具有激元效应，为制备激元材料的微纳结构提供了一种新的手段。
本发明所指的激元材料是指具有表面等离激元效应、声子极化激元效应的材料。本领域常规的激元材料均可用于本发明中。
优选地，所述激元材料为氮化硼、石墨烯、层状过渡金属氧化物或层状过渡金属硫化物。
优选地，所述层状过渡金属氧化物为三氧化钼、氧化钨或氧化钒。
优选地，所述层状过渡金属硫化物为硫化钨、硫化钼、硒化钨或硒化钼。
更为优选地，所述激元材料为三氧化钼。
激元材料的尺寸的厚度可为本领域的常规尺寸及厚度。
优选地，所述激元材料的尺寸为长度和宽度为1～1000μm。
优选地，所述激元材料的厚度为1～300nm。
更为优选地，所述激元材料的厚度为150nm。
本发明中的激元材料可通过本领域常规方法制备得到。
优选地，所述激元材料通过在基底上进行物理气相沉积得到。该基底可为本领域常规基底。
优选地，所述基底为二氧化硅。
聚焦离子束束流电压电流大小、剂量大小、离子停留时间将影响得到的微纳结构的刻蚀深度及刻蚀粗糙度，可根据实际调控需要进行调节。
优选地，所述聚焦离子束刻蚀的束流电压电流大小为30kV，1pA～1nA。
优选地，所述聚焦离子束刻蚀的剂量大小为0.1～1nC/μm2。
优选地，所述聚焦离子束刻蚀的停留时间为0.1～1μs。
本发明中的微纳结构的形状可为本领域的常规形状。
所述微纳结构为多边形、孔型、锥形、圆形或柱形中的一种或几种。
本发明所指的多边形包括等边多边形和不等边多边形。
优选地，微纳结构的尺寸为0.1～10μm。
本发明所指的尺寸，如形状为圆形，则尺寸指代的是直径；如为多边形，指代的是边长。
优选地，所述退火的温度为300℃，时间为3h。
优选地，所述退火的气体为氧气、氩气、氮气或氧氩氮混合气。
优选地，所述退火在管式炉中进行。
本发明所指的管式炉既包括单温管式炉和多温管式炉。
退火的气氛可为本领域常规气氛。
优选地，所述退火的气体为空气或氧气。
一种范德华激元材料微纳结构，通过上述方法制备得到。
本发明利用退火工艺对刻蚀后的微纳结构进行处理，可有效地使得样品表面的激元效应恢复。本发明提供的制备方法工艺简单，可以有效减少离子轰击对激元材料表面的影响，使得微纳结构仍然具有激元效应，为制备激元材料的微纳结构提供了一种新的手段。
附图说明
图1为实施例1提供的聚焦离子束刻蚀的原理图、微纳结构加工的流程示意图、原子力显微镜形貌(Atomic Force Microscopy：AFM)图和氧化钼的光学近场图，其中，图1(a)是聚焦离子束刻蚀的原理图，图1(b)氧化钼微纳结构加工的流程示意图，图1(c)是刻蚀后测出来微型结构的AFM形貌图，图1(d)是聚焦离子束刻蚀得到的氧化钼激元材料圆形微纳结构，未经过退火处理的光场强度图，图1(e)是聚焦离子束刻蚀得到的氧化钼激元材料圆形微纳结构，经过退火处理的光场强度图；
图2为实施例2提供的圆形微纳结构AFM形貌图和光场强度图，其中，(a)、(b)和(c)为本发明聚焦离子束刻蚀氧化钼激元材料得到的不同尺寸的圆形微纳结构AFM形貌图；图2(d)、(e)和(f)为本发明聚焦离子束刻蚀氧化钼激元材料得到的不同尺寸的圆形微纳结构，经过退火处理的光场强度图；
图3为实施例3提供的微纳结构AFM形貌图和光场强度图，其中，图3(a)、(b)和(c)是聚焦离子束刻蚀氧化钼激元材料得到的不同尺寸的正三角形微纳结构形貌图，图3(d)、(e)和(f)是聚焦离子束刻蚀氧化钼激元材料得到的不同尺寸的正三角形微纳结构，经过退火处理的光场强度图；
图4为实施例4提供的微纳结构形貌图和光场强度图，其中，图4(a)、(b)和(c)是本发明聚焦离子束刻蚀氧化钼激元材料得到的不同尺寸的正方形形微纳结构形貌图，图4(d)、(e)和(f)为聚焦离子束刻蚀氧化钼激元材料得到的不同尺寸的正方形微纳结构，经过退火处理的光场强度图；
图5为实施例5提供的微纳结构形貌图和光场强度图，其中，图5(a)、(b)和(c)为聚焦离子束刻蚀氧化钼激元材料得到的不同尺寸的正三方形微纳结构形貌图，图5(d)、(e)和(f)为聚焦离子束刻蚀氧化钼激元材料得到的不同尺寸的正三角形微纳结构，经过退火处理的光场强度图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种范德华激元材料微纳结构，其制备方法如下：
在10mm×10mm二氧化硅片上利用物理气相沉积制备厚度为150nm的氧化钼。利用聚焦离子束刻蚀的方法对氧化钼进行圆形微纳结构加工，图1(a)和图1(b)分别是聚焦离子束刻蚀的原理图和对氧化钼进行微纳结构加工的流程示意图。其中利用用聚焦离子束刻蚀的圆形微纳结构直径为2μm，聚焦离子束刻蚀束流电压电流大小为30kV，5pA。离子剂量为0.7nC/μm2，离子停留时间为0.3μs。图1(c)是刻蚀后所测的AFM形貌图。图1(d)是直接用近场光学显微镜测出刻蚀得到圆形结构的光场强度图。最后，将刻蚀出来的结构，置于管式炉内在300℃氧气氛围下退火2h，再次测其近场光学强度图像为图1(e)。
从图1可知，氧化钼经过聚焦离子束成像与刻蚀后，氧化钼的声子极化激元效应消失，同时二氧化硅衬底的光场强度大于氧化钼的光场强度。最后，在氧气氛围下进行300℃退火使得聚焦离子束刻蚀氧化钼微纳结构的声子极化激元现象恢复。
实施例2
本实施例提供一种范德华激元材料微纳结构，其制备方法如下：
在10mm×10mm二氧化硅片上利用物理气相沉积制备厚度为160nm的氧化钼，利用聚焦离子束刻蚀圆型微纳结构，聚焦离子束束流电压电流大小为30kV，5pA。离子剂量为0.6nC/μm2，离子停留时间为0.3μs。得到的圆形结构的AFM形貌图如图2(a)、(b)和(c)所示，分别对应圆形的直径大小为3μm、2.5μm、2μm。将刻蚀出来的结构，置于管式炉内在300℃氧气氛围下退火2h，再次测其近场强度图像为图2(d)、(e)和(f)，分别对应圆形的直径大小为3μm、2.5μm、2μm。
从图2可知，氧化钼圆型微纳结构经退火处理后，表面可观测到清晰的声子极化激元干涉条纹。这表明聚焦离子束刻蚀得到的不同尺寸的氧化钼圆型微纳结构，在氧气氛围下进行300℃退火使得其声子极化激元效应恢复。
实施例3
本实施例提供一种范德华激元材料微纳结构，其制备方法如下：
在10mm×10mm二氧化硅片上利用物理气相沉积制备厚度为170nm的氧化钼，利用聚焦离子束刻蚀正三角形微纳结构，聚焦离子束束流电压电流大小为30kV，5pA。离子剂量为0.7nC/μm2，离子停留时间为0.3μs。得到的正三角形结构AFM形貌图如图3(a)、(b)和(c)所示，分别对应正三角型内切圆直径大小为3μm、2.5μm、2μm。将刻蚀出来的结构，置于管式炉内在300℃氧气氛围下退火2h，再次测其近场强度图像为图3(d)、(e)和(f)，分别对应正三角型内切圆直径大小为3μm、2.5μm、2μm。
从图3可知，氧化钼三角形微纳结构经过退火处理后，表面可观测到清晰的声子极化激元干涉条纹。这表明聚焦离子束刻蚀得到的不同尺寸的氧化钼三角形微纳结构，在氧气氛围下进行300℃退火使得其声子极化激元效应恢复。
实施例4
本实施例提供一种范德华激元材料微纳结构，其制备方法如下：
在10mm×10mm二氧化硅片上利用物理气相沉积制备厚度为200nm的氧化钼，利用聚焦离子束刻蚀正方形微纳结构，聚焦离子束束流电压电流大小为30kV，5pA。离子剂量为0.8nC/μm2，离子停留时间为0.3μs。得到的正方形结构AFM形貌图如图4(a)、(b)、(c)所示，分别对应正方形内切圆直径大小为3μm、2.5μm、2μm。将刻蚀出来的结构，置于管式炉内在300℃氧气氛围下退火2h，再次测其近场强度图像为图4(d)、(e)、(f)，分别对应正方形内切圆直径大小为3μm、2.5μm、2μm。
从图4可知，氧化钼正方形微纳结构经过退回处理后，表面可观测到清晰的声子极化激元干涉条纹。这表明聚焦离子束刻蚀得到的不同尺寸的氧化钼正方形微纳结构，在氧气氛围下进行300℃退火使得其声子极化激元效应恢复。
实施例5
本实施例提供一种范德华激元材料微纳结构，其制备方法如下：
在10mm×10mm二氧化硅片上利用物理气相沉积制备厚度为150nm的氧化钼，利用聚焦离子束刻蚀正方形微纳结构，聚焦离子束束流电压电流大小为30kV，5pA。离子剂量为0.8nC/μm2，离子停留时间为0.3μs。得到的三角形结构的AFM形貌图如图5(a)、(b)、(c)所示，分别对应三角形内切圆直径大小为3μm、2.5μm、2μm。将刻蚀出来的结构，置于管式炉内在300℃氧气氛围下退火2h，再次测其近场图像为图5(d)、(e)、(f)，分别对应三角形内切圆直径大小为3μm、2.5μm、2μm。
从图5可知，氧化钼三角形微纳结构经过退货处理后，表面可观测到清晰的声子极化激元干涉条纹。这表明聚焦离子束刻蚀得到的不同尺寸的氧化钼三角形微纳结构，在氧气氛围下进行350℃退火也能使得其声子极化激元效应恢复。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于聚焦离子束刻蚀制备范德华激元材料微纳结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：利用聚焦离子束对激元材料进行刻蚀得到微纳结构；
S2：将所制得的微纳结构置于100～1000℃下退火2～3h，即得到所述范德华激元材料微纳结构。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激元材料为氮化硼、石墨烯、层状过渡金属氧化物或层状过渡金属硫化物。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激元材料的尺寸为长度和宽度为1～1000μm；厚度为1～300nm。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激元材料通过在基底上进行物理气相沉积得到。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述聚焦离子束刻蚀的束流电压电流大小为30kV，1pA～1nA；所述聚焦离子束刻蚀的剂量大小为0.1～1nC/μm2；所述聚焦离子束刻蚀的停留时间为0.1～1μs。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述微纳结构为多边形、孔型、锥形、圆形或柱形中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述微纳结构的尺寸为0.1～10μm。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述退火的温度为300～350℃。
9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述退火的气体为氧气、氩气或空气。
10.一种范德华激元材料微纳结构，其特征在于，通过权利要求1～9任一所述方法制备得到。
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