CN113985501B - 一种利用热压印制备大面积纳米金属光子晶体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用热压印制备大面积纳米金属光子晶体的方法，属于金属光子晶体技术领域。在铟锡氧化物(ITO)基片上，直接滴金属纳米颗粒溶液，采用具有纳米结构的(PDMS)模板，利用热压印技术，实现纳米结构的转印，最后通过退火，得到与模板一样纳米结构的金属光子晶体。本方法可以实现大面积纳米金属光子晶体的制备，同时具有简单、高效、低成本的优点。

Description

一种利用热压印制备大面积纳米金属光子晶体的方法
技术领域
本发明属于金属光子晶体技术领域，具体涉及一种利用热压印技术，简单、快捷制备大面积纳米金属光子晶体的方法。
背景技术
金属光子晶体是在亚波长尺度上周期排列的金属纳米线、纳米柱、纳米盘等结构，在光开关、光学滤波器件、偏振器件等方面具有潜在的应用前景。现有的金属光子晶体的制备方法主要有干涉光刻法和电子束刻蚀法。其中，利用干涉光刻技术制备金属光子晶体的方法，通过灵活的改变光路，可以制备不同周期结构的金属纳米结构。但是，光刻时使用的光刻胶很难完全去除，影响最终金属光子晶体的质量。同时，采用干涉光刻法时，为了保证干涉效果，光斑的空间尺寸不可太大，所以很难制备大面积(厘米尺寸)的金属纳米结构。利用电子束刻蚀技术制备的金属光子晶体，具有分辨率高且线条边缘陡直的优点，但制备成本高，尤其是制备大面积的光栅，制备的成本将成数量级增加，难以满足实际应用的需要。本发明提出一种利用热压印技术制备大面积纳米金属光子晶体的方法，可以实现大面积(厘米尺寸)、简单(无需光刻)、低成本金属纳米结构的制备。随着本发明的逐步成熟，在有效降低大面积金属光子晶体制备成本的同时，将极大提高大面积金属光子晶体制造的效率。
发明内容
本发明创造性的提出一种利用热压印技术制备大面积纳米金属光子晶体的方法，通过选用纳米结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板，调控金属溶液浓度，调控压印时的压力、温度、时间，以及调控退火温度、时间，最终实现纳米金属光子晶体的大面积、简单、快捷、低成本的制备。
为实现上述目的，本发明具体包括以下步骤：
1)将铟锡氧化物(ITO)玻璃作为基片，分别在丙酮、乙醇中超声15min，去除表面灰尘油污，放置于加热台上，温度控制在50-180℃。
2)配置含有金属纳米颗粒的溶液，金属纳米颗粒一般通过化学方法合成，同时为使得金属颗粒的尺寸在纳米量级，其表面一般包覆有机物，一般选择有机溶剂溶解，所选溶剂的沸点高于加热台的温度，溶液浓度25-150mg/mL(优选80-120mg/mL)，为防止纳米颗粒团聚，超声10-15min。或者直接采用商业化的金属纳米颗粒的溶液；
3)将步骤2)中配置好的金属纳米颗粒溶液，滴在步骤1)中的ITO基片上，每4cm2的ITO基片对应取5-60μL(优选8-30μL)金属纳米颗粒溶液，ITO基片置于加热台上(镀有ITO薄膜的面向上，石英面向下)，趁金属纳米颗粒溶液未干，用具有纳米周期结构的PDMS模板，按压在其上，压力5-20N，按压时间1-3min；利用压力按压PDMS模板时，溶液在PDMS模板与ITO面之间均匀分布，通过毛细效应渗透到PDMS模板的与ITO面之间的纳米结构的空隙中，利用ITO表面亲油而PDMS表面疏油的特性，溶液被加热蒸干在ITO表面，最终在ITO表面形成与模板互补的纳米结构。
4)将步骤3)中压印好的ITO基片与模板同时从加热台上移下，在室温下冷却静置1-3min后，将ITO基片与模板分离脱模，即观察到ITO基片上已转印了模板的纳米结构。
5)将步骤4)中带有纳米结构的ITO基片，放置马弗炉中退火，去除金属颗粒表面包裹的有机物，同时使得金属纳米颗粒融化，形成具有与模板互补结构的金属纳米结构光子晶体，退火温度200-500℃，退火时间5-30min。
进一步优选步骤5)退火时，ITO基片与水平面夹角30°，使退火时团聚效果更好。
本发明具有如下优点：
1)本发明可制备厘米级的大面积金属光栅。
2)本发明工序简单，制备周期短。
3)本发明成本低，无需激光器和电子束曝光设备。
4)本发明中PDMS光栅模板可任意更换。
5)本发明中PDMS是一种疏水类有机材料，耐热性好，重复使用。
6)本发明中PDMS材质柔软透明，压印时表面受力均匀，表面张力小，容易压印、脱模。
附图说明
图1为采用实施案例1，制备的周期为600nm的金属纳米光栅的扫描电子显微镜SEM成像，形成的栅线均匀，周期稳定
图2为采用实施案例2，制备的周期为600nm的金属纳米光栅扫描电子显微镜成像，形成的栅线非常细，栅线不连续，同时很大区间没有形成光栅
图3为采用实施案例3，制备的金属纳米光栅扫描电子显微镜成像，有栅线和无栅线的区域对比度低，栅线之间存在大量的金纳米颗粒
图4为采用实施案例4，制备的金属纳米光栅扫描电子显微镜SEM成像，金纳米颗粒产生团聚，栅线不连续，没有形成一维光栅
下面结合实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于该实施例。
本发明公开了一种利用热压印制备大面积纳米金属光栅的方法，具体实施案例如下：
实施例1
1)将铟锡氧化物(ITO)玻璃作为基片，分别在丙酮、乙醇中超声15min，去除表面灰尘油污，放置于加热台上，加热台温度100℃。
2)选用己硫醇包覆的纳米金颗粒，选用二甲苯为溶剂，配置浓度为100mg/ml的金溶液，为防止纳米颗粒团聚，超声15min。
3)将步骤2)中配置好的金属纳米颗粒溶液取10μl滴在步骤1)中的ITO基片上(镀有ITO薄膜的面朝上)，趁金属纳米颗粒溶液未干，用周期为600nm的PDMS光栅为模板，按压时保证光栅栅线方向与按压施力方向平行，压力为10N，按压时间1min。
4)从加热台上同时移下步骤3)中压印后的模板和ITO基片，室温冷却，静置30s后将ITO基片与模板分离脱模，此时可观察到ITO基片上已转印了与模板互补的光栅结构。图1是已转印纳米光栅的ITO基片照片，图中光栅周期为600nm，光栅面积为2cm*2cm。
将步骤4)中带有光栅结构的ITO基片倾斜放入坩埚中，ITO基片与水平面夹角30°，使退火时团聚效果更好，维持良好的对比度，然后将坩埚放置马弗炉中，退火温度400℃，退火时间15min，去除金颗粒表面包覆膜，同时保持压印结构不变，得到纳米金光栅。其SEM成像如图1所示，形成的栅线均匀，周期稳定。
实施例2
1)将铟锡氧化物(ITO)玻璃作为基片(与实施例1相同)，分别在丙酮、乙醇中超声15min，去除表面灰尘油污，放置于加热台上，加热台温度100℃。
2)选用己硫醇包覆的纳米金颗粒，选用二甲苯为溶剂，配置浓度为50mg/ml的金溶液，为防止纳米颗粒团聚，超声15min。
3)将步骤2)中配置好的金属纳米颗粒溶液取10μl滴在步骤1)中的ITO基片上(镀有ITO薄膜的面朝上)，趁金属纳米颗粒溶液未干，用周期为600nm的PDMS光栅为模板，按压时保证光栅栅线方向与按压施力方向平行，压力为10N，按压时间1min。
4)从加热台上同时移下步骤3)中压印后的模板和ITO基片，室温冷却，静置30s后将ITO基片与模板分离脱模，观察到ITO基片上的金膜非常薄(对应的面积为2cm*2cm)，衍射效果不好。
5)将步骤4)中带有光栅结构的ITO基片放入坩埚中，ITO基片与水平面夹角30°，然后将坩埚放置马弗炉中，退火温度400℃，退火时间15min，得到纳米金光栅，其SEM成像如图2所示，形成的栅线非常细，栅线不连续，同时很大区间没有形成光栅。
实施例3
下面结合实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于该实施例。
本发明公开了一种利用热压印制备大面积纳米金属光栅的方法，具体实施案3例如下：
1)将铟锡氧化物(ITO)玻璃作为基片，分别在丙酮、乙醇中超声15min，去除表面灰尘油污，放置于加热台上，加热台温度110℃。
2)选用己硫醇包覆的纳米金颗粒，选用二甲苯为溶剂，配置浓度为150mg/ml的金溶液，为防止纳米颗粒团聚，超声15min。
3)将步骤2)中配置好的金属纳米颗粒溶液取10μl滴在步骤1)中的ITO基片上(镀有ITO薄膜的面朝上)，趁金属纳米颗粒溶液未干，用周期为600nm的PDMS光栅为模板，按压时保证光栅栅线方向与按压施力方向平行，压力为5N，按压时间1min。
4)从加热台上同时移下步骤3)中压印后的模板和ITO基片，室温冷却，静置30s后将ITO基片与模板分离脱模，此时可观察到ITO基片上的金膜比较厚，透光性差，但是衍射很好。
5)将步骤4)中带有光栅结构的ITO基片放入坩埚中，ITO基片与水平面夹角30°，然后将坩埚放置马弗炉中，退火温度450℃，退火时间15min，得到纳米金光栅(面积为2cm*2cm)。其SEM成像如图3所示，有栅线和无栅线的区域对比度低，栅线之间存留了大量的金纳米颗粒。
实施例4
1)将铟锡氧化物(ITO)玻璃作为基片，分别在丙酮、乙醇中超声15min，去除表面灰尘油污，放置于加热台上，加热台温度100℃。
2)选用己硫醇包覆的纳米金颗粒，选用二甲苯为溶剂，配置浓度为100mg/ml的金溶液，为防止纳米颗粒团聚，超声15min。
3)将步骤2)中配置好的金属纳米颗粒溶液取10μl滴在步骤1)中的ITO基片上(镀有ITO薄膜的面朝上)，趁金属纳米颗粒溶液未干，用周期为600nm的PDMS光栅为模板，按压时保证光栅栅线方向与按压施力方向平行，压力为10N，按压时间1min。
4)从加热台上同时移下步骤3)中压印后的模板和ITO基片，室温冷却，静置30s后将ITO基片与模板分离脱模，观察到ITO基片上的金膜衍射很好(面积为2cm*2cm)。
5)将步骤4)中带有光栅结构的ITO基片放入坩埚中，ITO基片与水平面夹角30°，将坩埚放置马弗炉中，退火温度500℃，退火时间15min，得到纳米金光栅，其SEM成像如图4所示，金纳米颗粒产生团聚，栅线不连续，没有形成一维金光栅。

Claims (3)

1.一种利用热压印制备大面积纳米金属光子晶体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将铟锡氧化物(ITO)玻璃作为基片，分别在丙酮、乙醇中超声15min，去除表面灰尘油污，放置于加热台上，温度控制在50-180℃；
2)配置含有金属纳米颗粒的溶液，金属纳米颗粒通过化学方法合成，同时为使得金属颗粒的尺寸在纳米量级，其表面一般包覆有机物，选择有机溶剂溶解，所选溶剂的沸点高于加热台的温度，溶液浓度25-150mg/mL，为防止纳米颗粒团聚，超声10-15min；或者直接采用商业化的金属纳米颗粒的溶液；
3)将步骤2)中配置好的金属纳米颗粒溶液，滴在步骤1)中的ITO基片上，每4cm2的ITO基片对应取5-60μL金属纳米颗粒溶液，ITO基片置于加热台上，镀有ITO薄膜的面向上，石英面向下，趁金属纳米颗粒溶液未干，用具有纳米周期结构的PDMS模板，按压在其上，压力5-20N，按压时间1-3min；利用压力按压PDMS模板时，溶液在PDMS模板与ITO面之间均匀分布，通过毛细效应渗透到PDMS模板的与ITO面之间的纳米结构的空隙中，利用ITO表面亲油而PDMS表面疏油的特性，溶液被加热蒸干在ITO表面，最终在ITO表面形成与模板互补的纳米结构；
4)将步骤3)中压印好的ITO基片与模板同时从加热台上移下，在室温下冷却静置1-3min后，将ITO基片与模板分离脱模，即观察到ITO基片上已转印了模板的纳米结构；
5)将步骤4)中带有纳米结构的ITO基片，放置马弗炉中退火，去除金属颗粒表面包裹的有机物，同时使得金属纳米颗粒融化，形成具有与模板互补结构的金属纳米结构光子晶体，退火温度200-500℃，退火时间5-30min。
2.按照权利要求1所述的一种利用热压印制备大面积纳米金属光子晶体的方法，其特征在于，步骤5)退火时，ITO基片与水平面夹角30°，使退火时团聚效果更好。
3.按照权利要求1所述的一种利用热压印制备大面积纳米金属光子晶体的方法，其特征在于，步骤2)溶液浓度80-120mg/mL；每4cm2的ITO基片对应取优选8-30μL金属纳米颗粒的溶液。
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