CN113044808A - 一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法。该方法包括如下步骤：先在基板上利用重力自组装形成均匀纳米球阵列，根据实际所需反射或透射波长，进一步通过干法刻蚀调节阵列中纳米球的尺寸，然后将纳米球阵列浸入金属氧化物溶胶中，以纳米球为内核，在每个纳米球外壳形成高折射率金属氧化物包覆层，所形成的全介质纳米球颗粒具有显著的米氏共振特性。本发明可通过调节阵列中纳米球的尺寸、间距、排列方式、金属氧化物包覆层厚度及不同的结晶相影响电磁共振，获得不同反射及透射波长。制备的纳米球颗粒具有反射率高，稳定性好，成本低的优点，可大规模制备，有望应用于照明显示、光探测、激光、太阳能电池、发光二极管等领域。

Description

一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，属于光电子材料制备领域。
背景技术
自然界中看到的许多颜色，通常源自于物体表面的纳米尺度结构以特定方式对光进行反射。受此启发，纳米人工结构在过去十多年获得广泛关注。全介质超材料由于低损耗、特殊的光子模式和良好的兼容性已成为纳米光子学领域一个热门的研究课题。电子束光刻与反应离子刻蚀技术相结合是制备全介质超材料最广泛的方法，近90％的报告均使用这种方法制造，具有精度高、可靠性高、重复性好等诸多优点。
但是，它仍然存在着制作面积有限、成本昂贵、复杂耗时等缺点。并且，传统高折射率材料如硅、砷化镓等在可见光波段均有强烈的材料损耗，透明材料的折射率非常低难以与CMOS技术兼容。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，采用该方法制备的纳米球颗粒具有反射率高，成本低，稳定性好的优点，可大规模制备。
技术方案：本发明的一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法如下：先在基板上利用重力自组装形成均匀纳米球阵列，根据实际所需反射或透射波长，进一步通过干法刻蚀调节阵列中纳米球的尺寸，然后将纳米球阵列浸入金属氧化物溶胶中，以纳米球为内核，在每个纳米球外壳形成高折射率金属氧化物包覆层，所形成的全介质纳米球颗粒具有显著的米氏共振特性。
所述的高折射率全介质纳米球在基板上可以是六方排列、四方排列、串珠状排列中的任意一种。
所述纳米球选自聚苯乙烯微球(PS球)、二氧化硅(SiO2球)中的任意一种。
所述金属氧化物选自TiO2、ZrO2、ZnO2、Cu2O、Al2O3、CeO2、MgO中的任意一种。
所述通过干法刻蚀调节阵列中纳米球的尺寸，具体为使用不同尺寸纳米球调节球心间距；或提高干法刻蚀功率，增加刻蚀时间调节阵列中纳米球的尺寸；或增加纳米球阵列浸入溶胶次数，改变溶胶浓度调节金属氧化物包覆层厚度；或提高温度改变金属氧化物包覆层结晶相，以上方法均可影响电磁共振，获得不同反射及透射波长。
所述纳米球可附着于玻璃或硅基底；或附着于柔性基底，通过拉伸弯曲改变纳米球排列方式进而影响电磁共振。
所述的纳米球为PS球，采用氧气作为刻蚀气体；SiO2球采用碳氟类气体或者碳氟氢类气体或者两种气体的组合作为刻蚀气体。
有益效果：本发明制备的纳米球颗粒均为核壳结构，支持显著的米氏共振，具有反射率高，成本低的优点，可大规模制备，通过调节阵列中纳米球的尺寸、间距、排列方式、金属氧化物包覆层厚度及不同的结晶相可影响电磁共振，获得不同反射及透射波长。本发明方法制得的纳米球稳定性优异，可应用于照明显示、光探测器、激光、太阳能电池、发光二极管等领域。
附图说明
图1为实施案例1中利用重力自组装形成均匀PS球阵列的扫描电子显微镜照片。
图2为实施案例1通过干法刻蚀调节阵列中PS球尺寸的扫描电子显微镜照片。
图3为实施案例1以PS球为内核，在每个PS球外壳形成高折射率金属氧化物TiO2包覆层的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1
高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备50×25×1mm3大小载玻片，在洗洁精溶液中清洗干净，直至自来水可以在载玻片表面形成一层水膜后，再放入干燥箱中烘干；
步骤2、将步骤1中的玻璃短片置于铬酸(重铬酸钾：水：浓硫酸＝1:2:20)中浸泡24小时；
步骤3、将步骤2中的玻璃短片取出，用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净后，放入干燥箱中烘干，再取两片载玻片置于短片上下层形成楔形微腔，微腔张角约为2°，楔形槽所处角度前后2°，左右1°；
步骤4、将从阿拉丁公司购买的PS球(直径300nm，浓度2.5wt％)与去离子水按体积比为1：1.5稀释，并超声备用；
步骤5、将步骤4中所述PS球用针管吸出20uL微球溶液注入步骤3所述楔形微腔，保持环境温度为8℃，湿度为70％，制备PS球阵列；
步骤6、通过氧气等离子体部分刻蚀步骤5中的PS球阵列，其中，功率为150W，气流量为20sccm，时间为60s；
步骤7、配制无水乙醇、冰醋酸与钛酸四丁酯的混合溶液，搅拌均匀，然后在室温下静置12h后备用，无水乙醇、冰醋酸及钛酸四丁酯的体积比为48:1:0.2。
步骤8、将步骤6中的PS球阵列竖直插入步骤7制备的溶胶中浸泡20min后取出，保持竖直在空气中，用少量乙醇冲洗，放入50℃烘箱中烘干，重复该过程3遍。
制备的高折射率全介质纳米球颗粒具有显著的米氏共振特性，可选择性地反射特定波长。设计的结构为TiO2(厚度50nm)包覆单个PS球(直径180nm)的六方阵列，在白光光源照射下，呈现高亮度深蓝色，稳定性优异，重复性好，成本低，可大规模制备。
实施例2
高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备50×25×1mm3大小载玻片，在洗洁精溶液中清洗干净，直至自来水可以在载玻片表面形成一层水膜后，再放入干燥箱中烘干；
步骤2、将步骤1中的玻璃短片置于铬酸(重铬酸钾：水：浓硫酸＝1:2:20)中浸泡24小时；
步骤3、将步骤2中的玻璃短片取出，用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净后，放入干燥箱中烘干，再取两片载玻片置于短片上下层形成楔形微腔，微腔张角约为2°，楔形槽所处角度前后2°，左右1°；
步骤4、将从阿拉丁公司购买的PS球(直径350nm，浓度2.5wt％)与去离子水按体积比为1：1.5稀释，并超声备用；
步骤5、将步骤4中所述PS球用针管吸出20uL微球溶液注入步骤3所述楔形微腔，保持环境温度为8℃，湿度为70％，制备PS球阵列；
步骤6、通过氧气等离子体部分刻蚀步骤5中的PS球阵列，其中，功率为150W，气流量为20sccm，时间为75s；
步骤7、配制无水乙醇与冰醋酸与钛酸四丁酯的混合溶液，搅拌均匀，然后在室温下静置12h后备用，无水乙醇、冰醋酸及钛酸四丁酯的体积比为48:1:0.2。
步骤8、将步骤6中的PS球阵列竖直插入步骤7制备的溶胶中浸泡20min后取出，保持竖直在空气中，用少量乙醇冲洗，放入50℃烘箱中烘干，重复该过程3遍。
制备的高折射率全介质纳米球颗粒具有显著的米氏共振特性，可选择性地反射特定波长。设计的结构为TiO2(厚度50nm)包覆单个PS球(直径250nm)的六方阵列，在白光光源照射下，呈现高亮度绿色，稳定性优异，重复性好，成本低，可大规模制备。
实施例3
高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备50×25×1mm3大小载玻片，在洗洁精溶液中清洗干净，直至自来水可以在载玻片表面形成一层水膜后，再放入干燥箱中烘干；
步骤2、将步骤1中的玻璃短片置于铬酸(重铬酸钾：水：浓硫酸＝1:2:20)中浸泡24小时；
步骤3、将步骤2中的玻璃短片取出，用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗干净后，放入干燥箱中烘干，再取两片载玻片置于短片上下层形成楔形微腔，微腔张角约为2°，楔形槽所处角度前后2°，左右1°；
步骤4、将从阿拉丁公司购买的PS球(直径450nm，浓度2.5wt％)与去离子水按体积比为1：1.5稀释，并超声备用；
步骤5、将步骤4中所述PS球用针管吸出20uL微球溶液注入步骤3所述楔形微腔，保持环境温度为8℃，湿度为70％，制备PS球阵列；
步骤6、通过氧气等离子体部分刻蚀步骤5中的PS球阵列，其中，功率为150W，气流量为20sccm，时间为95s；
步骤7、配制无水乙醇与冰醋酸与钛酸四丁酯的混合溶液，搅拌均匀，然后在室温下静置12h后备用，无水乙醇、冰醋酸及钛酸四丁酯的体积比为48:1:0.2。
步骤8、将步骤6中的PS球阵列竖直插入步骤7制备的溶胶中浸泡20min后取出，保持竖直在空气中，用少量乙醇冲洗，放入50℃烘箱中烘干，重复该过程3遍。
制备的高折射率全介质纳米球颗粒具有显著的米氏共振特性，可选择性地反射特定波长。设计的结构为TiO2(厚度50nm)包覆单个PS球(直径340nm)的六方阵列，在白光光源照射下，呈现高亮度红色，稳定性优异，重复性好，成本低，可大规模制备。

Claims (7)

1.一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，其特征在于，先在基板上利用重力自组装形成均匀纳米球阵列，进一步通过干法刻蚀调节阵列中纳米球的尺寸，然后将纳米球阵列浸入金属氧化物溶胶中，得到以纳米球为内核，在每个纳米球外壳形成高折射率金属氧化物包覆层，纳米球内核和包覆层的厚度形成针对特定光波长的共振腔体，所形成的全介质纳米球颗粒具有显著的米氏共振特性。
2.根据权利要求1所述的高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，其特征在于，所述的高折射率全介质纳米球在基板上是六方排列、四方排列、串珠状排列中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，其特征在于，所述纳米球选自聚苯乙烯微球、二氧化硅球中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物选自TiO2、ZrO2、ZnO2、Cu2O、Al2O3、CeO2、MgO中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，其特征在于，所述通过干法刻蚀调节阵列中纳米球的尺寸，具体为使用不同尺寸纳米球调节球心间距；或提高干法刻蚀功率，增加刻蚀时间调节阵列中纳米球的尺寸；或增加纳米球阵列浸入溶胶次数，改变溶胶浓度调节金属氧化物包覆层厚度；或提高温度改变金属氧化物包覆层结晶相，以上方法均可影响电磁共振，获得不同反射及透射波长。
6.根据权利要求1所述的高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，其特征在于，所述纳米球可附着于玻璃或硅基底；或附着于柔性基底，通过拉伸弯曲改变纳米球排列方式进而影响电磁共振。
7.根据权利要求1所述的高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，其特征在于，所述的纳米球为聚苯乙烯微球时，采用氧气作为刻蚀气体；所述的纳米球为二氧化硅球时，采用碳氟类气体或者碳氟氢类气体或者两种气体的组合作为刻蚀气体。
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