CN112072319A - 一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，属于电化学超表面加工技术领域。所述的金属等离激元纳米光学天线是采用电化学自组装法制备的金属纳米颗粒，为实现基于表面等离激元共振的辐射或非辐射能量传递提供光学耦合平台。传统使用的金属等离激元纳米光学天线主要包括采用电子束光刻或纳米压印光刻等微纳加工技术在金属薄膜上制备的规则的图形化金属阵列，采用纳米PS球掩膜与金属蒸镀相结合制备的金属纳米光栅，采用多孔氧化铝（AAO）模板与金属蒸镀相结合制备的金属纳米颗粒阵列，以及采用金属蒸镀和高温快速热退火制备金属纳米颗粒等方法在半导体上制备，本发明利用电化学方法在半导体材料表面制备金属纳米颗粒，具有操作简单，条件可控，普适性好等优势。

Description

一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法
技术领域
本发明属于电化学超表面加工技术领域,具体涉及一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法。
背景技术
基于人工构造的亚波长尺度金属纳米结构调控的超材料研究一直是纳米光子学领域的发展热点，深受国际研究学者们的广泛关注。超材料与光相互作用所激发的表面等离激元以其优异的光捕获和电磁场聚集特性为表面等离子体光子学研究开辟了广阔的应用领域。当特定波长入射辐射与人工构造的金属纳米结构表面的自由电子相互作用时，可激发自由电子的集体振荡，把光限制在金属纳米结构表面的纳米尺度内，并产生强烈的、高度局域的电磁场，即局域表面等离子体共振（LSPR）效应。因此，这种金属纳米结构被认为是高效的光捕获元件，对于在光催化、太阳能电池、生物传感、医学诊断、光电探测等领域提高传统器件结构的效率具有重要的应用价值。而这种金属纳米结构也因此被称为金属等离激元纳米天线。最近的研究表明，金属等离激元纳米天线也可以通过产生热电子而直接将收集到的光能转化为电能。在金属纳米结构的光吸收和LSPR激发后，等离激元发生衰变，将积累的能量转移到半导体材料导带的电子上。这个过程产生高能电子，也称为热电子，这些电子可以从金属等离子体纳米结构中逃逸出来，并被等离子体纳米结构与半导体接触形成的金属-半导体肖特基结收集起来。这一能量转换的新方案打破了光电探测器以往无法探测或捕获能量低于半导体带隙的光子的限制，为拓展非红外波段光电探测器的红外响应波段、延伸近红外探测器的中远红外探测范围或提高太阳能电池红外光电转换效率方面开辟了新途径。而这一切的核心是拥有人工构造的亚波长尺度金属纳米结构作为光学平台，即金属等离激元纳米光学天线。
现有制备金属等离激元纳米光学天线的方法主要包括以下几种：
1、采用精密微纳加工技术在金属薄膜上制备的规则的图形化金属阵列
首先在半导体材料表面旋涂PMMA光刻胶，采用电子束光刻或纳米压印光刻等方法在PMMA光刻胶上光刻纳米图形，其次采用反应离子刻蚀技术在半导体材料上刻蚀出纳米图形，然后采用金属镀膜工艺（包括电子束蒸镀、磁控溅射蒸镀或热蒸镀等）在半导体材料表面制备金属薄膜，形成规则的图形化金属阵列。
2、采用纳米PS球掩膜与金属蒸镀相结合制备的金属纳米光栅
首先将纳米聚苯乙烯球（PS球）溶液转移到半导体材料表面，形成紧密排列的单层PS球阵列，其次采用金属热蒸镀工艺向排列单层PS球阵列的半导体材料沉积金属薄膜，然后将PS球Lift-off，形成PS球直径大小的孔状金属纳米光栅。
3、采用多孔氧化铝（AAO）模板与金属蒸镀相结合制备的金属纳米颗粒阵列
以超薄多孔氧化铝（AAO）薄膜作为模板，通过金属薄膜蒸镀（如电子束蒸镀、磁控溅射蒸镀或热蒸镀等）在半导体材料上通过AAO薄膜制备有序或随机的纳米尺度的金属纳米颗粒阵列。
4、采用金属蒸镀和高温快速热退火制备的金属纳米颗粒
采用金属蒸镀工艺，通过蒸镀时间控制在半导体材料表面制备超薄金属层，并通过高温快速退火实现超薄金属热回流形成一系列随机分布的金属纳米颗粒。
发明内容
本发明提出了一种新型的金属等离激元纳米光学天线的制备方法，具有操作简单，条件可控，普适性好等优点。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提出的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，采用电化学自组装法在半导体表面制备尺度可控的纳米金属纳米颗粒，为实现基于表面等离激元共振的辐射或非辐射能量传递提供光学耦合平台。
所述的金属等离激元纳米光学天线为金属纳米颗粒结构，通过由外加直流电压驱动的电化学氧化还原反应自组装在半导体材料表面。所述的电化学氧化还原反应自组装过程是由金属薄膜、金属块体或片状金属作为阳极，相应金属的盐和超纯异丙醇混合溶液作为电解液，半导体材料作为阴极组成的两极结构在外加直流电压驱动下发生的电泳沉积过程。
所述的作为阳极的金属薄膜、金属块体或片状金属是Pt、Au、Ag、Cu、Al、 Zn,、Pd的其中一种。作为电解质的金属盐为与阳极金属对应的可溶性金属盐，如Cu金属和硝酸铜。
所述的半导体材料是n型或p型的Si基半导体、III-V族半导体、II-Ⅵ族半导体、低维半导体中的一种。
所述的电化学氧化还原反应是在外加直流电压作用下，阳极金属原子失去电子变成金属阳离子，进入电解液，同时电解液中的金属阳离子在电场驱动下向阴极半导体材料漂移，沉积在半导体表面获得电子并还原为金属原子，实现金属纳米颗粒在半导体材料表面的沉积从而构建金属等离激元纳米光学天线。
所述的外加直流电压范围为10至100 V。
所述金属的盐和超纯异丙醇组成的电解液中金属盐的摩尔浓度为1 nmol/L至1 μmol/L。
所述的金属纳米颗粒可通过控制反应时间、电解液浓度、外加直流电压值、阴阳极间距来调控金属纳米颗粒的尺寸，实现颗粒粒径介于5-100 nm。
所述的电化学反应时间可根据外加电压、阴阳极间距和电解液浓度进行调节，通常控制在3-15分钟。如外加直流电压50 V，阴阳极间距5 cm，电解液中金属盐的摩尔浓度为1 μmol/L时，控制电化学反应时间为3分钟，可形成10-30 nm范围的金属纳米颗粒。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明涉及的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，通过采用由外加直流电压驱动的电化学氧化还原反应自组装在半导体材料表面。电化学过程采用平行板电容模式，具有结构简单、操作简便的优势。
2、本发明涉及的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法可以通过调节电化学反应时间、电解液浓度、阴阳极间距、外加直流电压实现金属纳米颗粒的尺度调节，具有可控性好的特点。可以通过选择电解质金属盐和对应的金属阳极材料实现不同金属纳米颗粒的自组装制备，具有普适性好的特点。
附图说明
图1为本发明电化学氧化还原反应自组装金属纳米颗粒的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，由金属阳极1和半导体材料阴极2通过导线与外加直流驱动电源3连接，平行放置在电解液中。电解液为金属阳极1的金属材料对应的可溶性金属盐和超纯异丙醇混合溶液。调配混合溶液中金属盐的摩尔浓度，并调节金属阳极1与半导体材料阴极2的间距和外加直流驱动电源3的电压。电解液中的金属阳离子4在外加电压驱动下向半导体材料阴极2移动，到达半导体材料阴极2表面，得到外加直流驱动电源3提供的电子被还原为金属原子5并沉积在半导体材料阴极2表面。与此同时，金属阳极2的金属原子失去电子，被氧化为金属阳离子4并释放进入电解液6中。金属阳极1中金属原子失去的电子与金属阳离子4在半导体材料阴极2表面获得的电子数相等，在电平衡条件下进行金属原子和金属离子的氧化还原反应，最终在半导体材料阴极2表面沉积金属纳米颗粒，通过控制电化学反应时间、电解液浓度、阴阳极间距、外加直流电压实现金属纳米颗粒的尺度调节。
实施例1
一种Ag金属等离激元纳米光学天线由电化学氧化还原反应自组装金属纳米颗粒制成，其制备过程如下：
步骤1：选择Ag金属和相应的硝酸银金属盐（AgNO3），将AgNO3溶液与超纯异丙醇溶液混合制备电解液，调节AgNO3电解质的摩尔浓度为1 μmol/L；
步骤2：将片状Ag金属作为阳极接外加直流电源的正极，n型Si半导体材料作为阴极连接外加直流电源的负极，通过导线与外加直流驱动电源连接，平行放置在AgNO3溶液与超纯异丙醇溶液混合制备的电解液中；
步骤3：调节片状Ag金属阳极和n型Si半导体材料阴极的间距为5 cm，设置外加直流电压值为50 V；
步骤4：电化学氧化还原反应3 min，在n型Si半导体材料上沉积Ag金属纳米颗粒，粒径为5-15 nm。
实施例2
一种Cu金属等离激元纳米光学天线由电化学氧化还原反应自组装金属纳米颗粒制成，其制备过程如下：
步骤1：选择Cu金属和相应的硫酸铜金属盐（CuSO4），将CuSO4溶液与超纯异丙醇溶液混合制备电解液，调节CuSO4电解质的摩尔浓度为0.5 μmol/L；
步骤2：将片状Cu金属作为阳极接外加直流电源的正极，p型Si半导体材料作为阴极连接外加直流电源的负极，通过导线与外加直流驱动电源连接，平行放置在CuSO4溶液与超纯异丙醇溶液混合制备的电解液中；
步骤3：调节片状Cu金属阳极和p型Si半导体材料阴极的间距为6 cm，设置外加直流电压值为100V；
步骤4：电化学氧化还原反应3 min，在p型Si半导体材料上沉积Cu金属纳米颗粒，粒径为10-20 nm。
实施例3
一种Al金属等离激元纳米光学天线由电化学氧化还原反应自组装金属纳米颗粒制成，其制备过程如下：
步骤1：选择Al金属和相应的氯化铝金属盐（AlCl3），将AlCl3溶液与超纯异丙醇溶液混合制备电解液，调节AlCl3电解质的摩尔浓度为0.1 μmol/L；
步骤2：将去氧化的片状Al金属作为阳极接外加直流电源的正极，III-V族半导体材料作为阴极连接外加直流电源的负极，通过导线与外加直流驱动电源连接，平行放置在AlCl3溶液与超纯异丙醇溶液混合制备的电解液中；
步骤3：调节片状Al金属阳极和III-V族半导体材料阴极的间距为5 cm，设置外加直流电压值为50 V；
步骤4：电化学氧化还原反应5 min，在III-V族半导体材料上沉积Al金属纳米颗粒，粒径为5-10 nm。

Claims (8)

1.一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，其特征在于，所述的金属等离激元纳米光学天线为金属纳米颗粒结构，通过由外加直流电压驱动的电化学氧化还原反应自组装在半导体材料表面。
2.根据权利要求1所述的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，其特征在于，所述的电化学氧化还原反应自组装过程是由金属薄膜、金属块体或片状金属作为阳极，相应金属的盐和超纯异丙醇混合溶液作为电解液，半导体材料作为阴极组成的两极结构在外加直流电压驱动下发生的电泳沉积过程。
3.根据权利要求2所述的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，其特征在于，所述的作为阳极的金属薄膜、金属块体或片状金属是Pt、Au、Ag、Cu、Al、 Zn,、Pd的其中一种。
4.根据权利要求2所述的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，其特征在于，所述的半导体材料是n型或p型的Si基半导体、III-V族半导体、II-Ⅵ族半导体、低维半导体中的一种。
5.根据权利要求2所述的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，其特征在于，所述的电化学氧化还原反应是在外加直流电压作用下，阳极金属原子失去电子变成金属阳离子，进入电解液，同时电解液中的金属阳离子在电场驱动下向阴极半导体材料漂移，沉积在半导体表面获得电子并还原为金属原子，实现金属纳米颗粒在半导体材料表面的沉积从而构建金属等离激元纳米光学天线。
6.根据权利要求2所述的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，其特征在于，所述的外加直流电压范围为10至100 V。
7.根据权利要求2所述的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，其特征在于，所述金属的盐和超纯异丙醇组成的电解液中金属盐的摩尔浓度为1 nmol/L至1 μmol/L。
8.根据权利要求2所述的一种金属等离激元纳米光学天线的制备方法，其特征在于，所述的金属纳米颗粒可通过控制反应时间、电解液浓度、外加直流电压值、阴阳极间距来调控金属纳米颗粒的尺寸，实现颗粒粒径介于5-100 nm。
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