多层垛积金属纳米球阵列及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属纳米球阵列制备方法，具体涉及多层垛积金属纳米球阵列及其制备方法
【背景技术】
[0002]贵金属(例如金、银、钼或钯)纳米球阵列结构是纳米光学及表面等离激元等热门研究领域中非常关注的重要结构，这是因为相邻贵金属纳米球的纳米间隙能产生很强的电磁聚焦作用，引起局域场的增强和局域表面等离激元耦合共振，从而导致显著的光学增强效应，因此在纳米光学天线、拉曼增强、荧光增强以及生物探测和高分辨生物传感器件等方面有非常重要的应用前景。
[0003]中国专利授权公告号CN100465345C、CN101698961B 和 CN101551330B 公开了表面等离激元晶体的制备方法，在这些专利中，主要是采用模板法，即先在衬底上形成胶体晶体的模板，之后在模板上沉积金属纳米颗粒，最后去除胶体晶体模板。
[0004]理论报道多层垛积金属纳米球阵列具有更加优异的性能和应用前景，但是基于上述制备方法，目前并不能制备多层垛积金属纳米球阵列结构。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术，本发明的一个实施例提供了一种多层垛积金属纳米球阵列的制备方法，包括下列步骤:
[0006](I)在洁净的衬底上利用镀膜工艺生长2nm-10nm的第一金属膜；
[0007](2)将步骤(I)得到的衬底进行第一次退火；
[0008](3)在步骤(2)得到的衬底上利用原子沉积技术生长厚度为Inm-1Onm的氧化铝；
[0009](4)在步骤(3)得到的衬底上利用镀膜工艺生长2nm-10nm的第二金属膜；
[0010](5)将步骤(4)得到的衬底进行第二次退火。
[0011]优选的，在所述步骤(3)中，所述原子沉积技术的温度为80°C _150°C。
[0012]优选的，在所述步骤(3)中生长厚度为3nm-5nm的氧化铝。
[0013]优选的，所述第一次退火的温度为400°C _500°C，所述第二次退火的温度为400 0C -500。。。
[0014]优选的，所述第一次退火时间为2.5分钟-3.5分钟，所述第二次退火时间为2.5分钟-3.5分钟。
[0015]优选的，所述镀膜工艺包括热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射。
[0016]优选的，第一金属为金、银、钼或钯，所述第二金属为金、银、钼或钯。
[0017]优选的，在所述步骤(5)之后还包括如下步骤:
[0018](6)在步骤(5)得到的衬底上利用原子沉积技术在80°C _150°C下生长厚度为3nm-5nm的氧化招；
[0019](7)在步骤(6)得到的衬底上利用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射生长2nm-10nm的第三金属膜，所述第三金属为金、银、钼或钯；
[0020](8)将步骤(7)得到的衬底在400°C _500°C下退火2.5分钟-3.5分钟。
[0021]本发明还提供了由上述多层垛积金属纳米球阵列的制备方法所形成的多层垛积金属纳米球阵列。
[0022]本发明实现了大面积和高密度的多层垛积金属纳米球阵列的制备，并且每一层金属纳米球阵列的间隙精确可控。本发明的多层垛积金属纳米球阵列可用于表面拉曼增强的理想结构基底进行高灵敏度生物分子检测。
【附图说明】
[0023]以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中:
[0024]图1至图5是本发明较佳实施例的多层垛积金属纳米球阵列的制备方法的示意图。
[0025]图6是根据本发明的示例一在衬底上制备的金属薄膜的SEM图像。
[0026]图7是根据本发明的示例一在衬底上制备的金属纳米球阵列的SEM图像。
[0027]图8是根据本发明的示例一制备的多层垛积金属纳米球阵列的SEM图像。
[0028]图9是根据本发明的示例二制备的多层垛积金属纳米球阵列的SEM图像。
[0029]图10是根据本发明的示例三制备的多层垛积金属纳米球阵列的SEM图像。
[0030]图11是根据本发明的实例四制备的多层垛积金属纳米球阵列的SEM图像。
[0031]图12是根据本发明的实例五制备的多层垛积金属纳米球阵列的SEM图像。
【具体实施方式】
[0032]为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
[0033]图1至图5是本发明较佳实施例的多层垛积金属纳米球阵列的制备方法的示意图。如图1所示，选取一表面洁净的衬底基片I，在衬底基片I上通过热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等镀膜设备在洁净的衬底基片I上生长2nm-10nm的金属膜2，该金属膜2的材质可以是金、银、钼或钯，其中所形成的金属膜2为不规则的岛状颗粒。如图2所示，将镀有金属膜2的衬底基片I在快速退火炉中退火，其中退火温度是400°C _500°C，退火时间2.5分钟-3.5分钟，经过退火工艺将不规则的岛状颗粒的金属膜I变成均匀一致的金属纳米球21。如图3所示,随后利用原子沉积技术在金属纳米球21的表面包覆一层Inm-1Onm的氧化铝(Al2O3)薄膜3，其中沉积温度为80°C _150°C。如图4所示，然后在氧化铝薄膜3的上面利用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等镀膜设备生长2nm-10nm的金属膜4，同样金属膜4为不规则的岛状颗粒，该金属膜4的材质可以是金、银、钼或钯，其中金属膜2可以和金属膜4为不同金属材质，优选金属膜2和金属膜4具有相同的材质且为金、银、钼或钯中的任意一种。如图5所示，最后在快速退火炉中退火，其中退火温度是400°C -500°C，退火时间
2.5分钟-3.5分钟，经过退火工艺将不规则的岛状颗粒的金属膜4变成均匀一致的金属纳米球41，其中金属球41位于金属球21的上方，形成双层垛积结构。
[0034]在本发明的实施例中，优选氧化铝薄膜3的厚度是3nm_5nm，在金属纳米球21的表面包覆一层较薄且致密的氧化铝薄膜3，用于避免第二次退火对金属纳米球21的形状结构造成影响，对金属纳米球21起到了保护作用。本发明的实施例能够通过原子沉积技术精确控制氧化铝薄膜3的厚度，从而能够精确控制相邻层金属纳米球阵列的邻近间隙。另外，通过控制金属薄膜的厚度，从而在快速退火后得到直径大小可控的纳米球。本发明的实施例可以采用任意的镀膜工艺在衬底或第一层金属纳米球阵列上生长2nm-10nm的金属薄膜。其中衬底基片I可以是硅片，还可以是氧化硅片，可以是平整的衬底基片，也可以是具有图形化的衬底基片。
[0035]以下将对本发明的多层垛积金属纳米球阵列的制备方法进行举例说明。
[0036]示例一
[0037]选取一块平整的硅片，依次经过丙酮、酒精和去离子水清洗5分钟，用氮气枪吹干，之后在180°C的热板上烘烤5分钟得到洁净的硅片，在洁净的硅片用热蒸发生长5nm的金薄膜，如图6所示，金薄膜为非致密性的岛状结构。之后在快速退火炉中退火，其中退火温度为450°C，退火时间为3分钟，得到如图7所示的金属纳米球阵列结构，从图7可以看出，金薄膜在退火后变成了纳米级的球状颗粒，形成的纳米金颗粒的直径大约为30nm。之后在80°C条件下采