一种放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]金属纳米线阵列的结构周期性及各向异性使其具有特殊的表面等离子体共振性质，在光、电等领域表现出独特的性能，能够应用于负折射、亚波长成像等前沿领域，具有广阔的应用前景。而放射状的金属纳米线-陶瓷复合材料，不仅能获得负的等效介电常数，更能使得材料的介电常数梯度变化，改变光在材料中的传播轨迹，有利于实现隐身材料和超级透镜。
[0003]当前，制备放射状金属纳米线-陶瓷复合材料通常使用模板法进行制备。公开号为CN104099567A的中国专利文献公开了一种利用模板法电沉积制备放射状银纳米柱簇阵列的方法，该方法利用通孔氧化铝模板，在银电解液中沉积纳米柱。然而模板法制备放射状金属纳米线存在许多限制，例如制备的阵列直径较大，电沉积需要基底导电、不宜大面积制备等，这些不足制约了放射状金属纳米线的进一步应用。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜及其制备方法。
[0005]实现本发明目的的技术解决方案为:一种放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1、利用电子束蒸发方法在衬底上沉积一层金属层;所述金属层的材料为铜或招，金属层厚度为l-8nm;衬底为娃片或石英。
[0007]步骤2、在快速退火炉中对步骤I制备的金属层进行真空退火处理，获得金属颗粒籽晶层;真空退火处理的退火温度为300-500°C，所述的保温时间为20-40min。
[0008]步骤3、采用磁控溅射方法在沉积有金属颗粒籽晶层的衬底上进行共溅射，得到所述的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜。
[0009]进行共溅射所用靶材为金属靶和陶瓷靶，所述金属靶的材料与籽晶层材料相同，所述陶瓷靶的材料为氧化铝或氮化铝；
[0010]共溅射时，所述的金属靶和陶瓷靶采用射频电源驱动，金属靶溅射功率为1-2W/cm2，陶瓷靶溅射功率为10-15W/cm2。
[0011 ]所述的溅射气氛为氩气，所述的溅射气压范围为0.1-0.5Pa。
[0012]溅射过程中施加脉冲偏压进行刻蚀，所述的脉冲偏压频率为200_350kHz，占空比30%到50%，功率密度为0.1-lff/cm2，偏压大小范围为-40V到-80V。
[0013]所述共溅射沉积时间为20-60min。
[0014]本发明与现有技术相比，其显著优点为:I)本发明采用磁控溅射代替传统的模板法制备放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜，避免了模板的制约，有利于大面积制备;2)利用本发明方法制备出的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜中的放射状金属纳米线直径更小，并且在制备过程对衬底材料的导电性不作要求，制备方法绿色环保。
【附图说明】
[0015]图1为本发明实施例1中铜纳米颗粒籽晶层的表面AFM形貌以及颗粒尺寸统计分布图，其中(a)为铜纳米颗粒籽晶层的表面AFM形貌图，(b)为铜纳米颗粒尺寸统计分布图。
[0016]图2为本发明实施例1中放射状铜纳米线-氧化铝复合薄膜的截面TEM形貌。
[0017]图3为本发明实施例2中放射状铝纳米线-氮化铝复合薄膜的截面TEM形貌。
[0018]图4为本发明实施例3中放射状铝纳米线-氧化铝复合薄膜的截面TEM形貌。
[0019]图5为本发明实施例4中放射状铜纳米线-氮化铝复合薄膜的截面TEM形貌。
【具体实施方式】
[0020]—种放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
[0021]步骤1、利用电子束蒸发方法在衬底上沉积一层金属层;所述金属层的材料为铜或招，金属层厚度为l-8nm;衬底为娃片或石英。
[0022]步骤2、在快速退火炉中对步骤I制备的金属层进行真空退火处理，获得金属颗粒籽晶层;所述真空退火处理的退火温度为300-500°C，所述的保温时间为20-40min。
[0023]步骤3、采用磁控溅射方法在沉积有金属颗粒籽晶层的衬底上进行共溅射，得到所述的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜。
[0024]进行共溅射所用靶材为金属靶和陶瓷靶，所述金属靶的材料与籽晶层材料相同，所述陶瓷靶的材料为氧化铝或氮化铝；
[0025]共溅射时，所述的金属靶和陶瓷靶采用射频电源驱动，金属靶溅射功率为1-2W/cm2，陶瓷靶溅射功率为10-15W/cm2。
[0026]所述的溅射气氛为氩气，所述的溅射气压范围为0.1-0.5Pa。
[0027]所述溅射过程中施加脉冲偏压进行刻蚀，所述的脉冲偏压频率为200_350kHz，占空比30%到50%，功率密度为0.1-lW/cm2，偏压大小范围为-40V到-80V。
[0028]所述共溅射沉积时间为20_60min。
[0029]以下结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
[0030]实施例1
[0031]利用电子束蒸发在硅片衬底上沉积一层4nm厚的金属铜；将沉积铜薄膜的硅片放入真空快速退火炉中退火，退火温度为500°C，保温时间40min，冷却后获得铜纳米颗粒籽晶层。将籽晶层衬底装入磁控溅射设备沉积室中，将真空度抽至10—4Pa以下;通入氩气，溅射气压为0.4Pa，利用射频溅射实施共溅射，其中铜靶和氧化铝靶的溅射功率密度分别为2W/cm2和15ff/cm2;同时开启脉冲偏压进行刻蚀，频率为350kHz，占空比为50 %，偏压功率密度为lW/cm2，偏压大小为-80V。沉积60min后，关闭靶材驱动电源和脉冲偏压电源，得到放射状的铜纳米线-氧化铝复合薄膜。
[0032]通过原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)分别对上述籽晶层表面和薄膜样品截面形貌进行观察和分析。图1给出了实施例1中铜纳米颗粒籽晶层的表面AFM形貌以及颗粒尺寸统计分布。图2为实施例1中放射状铜纳米线-氧化铝复合薄膜的截面TEM形貌。从图中可以看出，铜纳米线以铜籽晶颗粒为中心向两侧放射状生长，其纳米线直径为3?4nm，小于传统模板法制备出来的纳米线。
[0033]实施例2
[0034]利用电子束蒸发在硅片衬底上沉积一层Snm厚的金属铝；将沉积铝薄膜的硅片放入真空快速退火炉中退火，退火温度为400°C，保温时间30min，冷却后获得铝纳米颗粒籽晶层。将籽晶层衬底装入磁控溅射设备沉积室中，将真空度抽至10—4Pa以下;通入氩气，溅射气压为0.3Pa，利用射频溅射实施共溅射，其中铝靶和氮化铝靶的溅射功率密度分别为1.5W/cm2和12W/cm2;同时开启脉冲偏压进行刻蚀，频率为300kHz，占空比为40%，偏压功率密度为
0.5ff/cm2，偏压大小为-60V。沉积40min后，关闭靶材驱动电源和脉冲偏压电源，得到放射状的铝纳米线-氮化铝复合薄膜。图3为实施例2中放射状铝纳米线-氮化铝复合薄膜的截面TEM形貌。由图可知，招纳米线直径为3?4nm，小于传统模板法制备出来的纳米线。
[0035]实施例3
[0036]利用电子束蒸发在石英片衬底上沉积一层Inm厚的金属铝;将沉积铝薄膜的石英片放入真空快速退火炉中退火，退火温度为300°C，保温时间20min，冷却后获得铝纳米颗粒籽晶层。将籽晶层衬底装入磁控溅射设备沉积室中，将真空度抽至10—4Pa以下;通入氩气，溅射气压为0.1Pa，利用射频溅射实施共溅射，其中铝靶和氧化铝靶的溅射功率密度分别为lW/cm2和10W/cm2 ；同时开启脉冲偏压进行刻蚀，频率为200kHz，占空比为30%，偏压功率密度为0.1W/cm2，偏压大小为-40V。沉积20min后，关闭靶材驱动电源和脉冲偏压电源，得到放射状的铝纳米线-氧化铝复合薄膜。图4为实施例3中放射状铝纳米线-氧化铝复合薄膜的截面TEM形貌。由图可知，铝纳米线直径为2?3nm，小于传统模板法制备出来的纳米线。
[0037]实施例4
[0038]利用电子束蒸发在石英片衬底上沉积一层7nm厚的金属铜;将沉积铜薄膜的石英片放入真空快速退火炉中退火，退火温度为400°C，保温时间40min，冷却后获得铜纳米颗粒籽晶层。将籽晶层衬底装入磁控溅射设备沉积室中，将真空度抽至10—4Pa以下;通入氩气，溅射气压为0.5Pa，利用射频溅射实施共溅射，其中铜靶和氮化铝靶的溅射功率密度分别为
1.5W/cm2和13ff/cm2 ；同时开启脉冲偏压进行刻蚀，频率为250kHz，占空比为40 %，偏压功率密度为0.3W/cm2，偏压大小为-50V。沉积50min后，关闭靶材驱动电源和脉冲偏压电源，得到放射状的铜纳米线-氮化铝复合薄膜。图5为实施例4中放射状铜纳米线-氮化铝复合薄膜的截面TEM形貌。由图可知，铜纳米线直径为4?5nm，小于传统模板法制备出来的纳米线。
【主权项】
1.一种放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、利用电子束蒸发方法在衬底上沉积一层金属层； 步骤2、在快速退火炉中对步骤I制备的金属层进行真空退火处理，获得金属颗粒籽晶层； 步骤3、采用磁控溅射方法在沉积有金属颗粒籽晶层的衬底上进行共溅射，得到所述的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜。2.根据权利要求1所述的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤I中所述金属层的材料为铜或铝，金属层厚度为l-8nm;衬底为硅片或石英。3.根据权利要求1所述的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2中真空退火处理的退火温度为300-500°C，所述的保温时间为20-40min。4.根据权利要求1所述的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3中进行共溅射所用靶材为金属靶和陶瓷靶，所述金属靶的材料与籽晶层材料相同，所述陶瓷靶的材料为氧化铝或氮化铝； 共溅射时，所述的金属靶和陶瓷靶采用射频电源驱动，金属靶溅射功率为l-2W/cm2，陶瓷靶溅射功率为10-15W/cm2o5.根据权利要求4所述的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述的溅射气氛为氩气，所述的溅射气压范围为0.1-0.5Pa。6.根据权利要求4所述的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，其特征在于，溅射过程中施加脉冲偏压进行刻蚀，所述的脉冲偏压频率为200-350kHz，占空比30%到50%，功率密度为0.1-lff/cm2，偏压大小范围为-40V到-80V。7.根据权利要求4所述的放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，其特征在于，共溅射沉积时间为20-60min。8.一种放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜，其特征在于，其采用权利要求1所述的方法制备。
【专利摘要】本发明公开了一种放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜的制备方法，先利用电子束蒸发沉积一层8nm以下厚度的金属层；然后对该金属层进行快速退火处理，获得金属颗粒籽晶层；再以籽晶层为衬底，采用磁控溅射，共溅射金属靶和化合物陶瓷靶，并辅以脉冲偏压刻蚀，制备放射状的金属纳米线，并获得放射状金属纳米线-陶瓷复合薄膜。该方法具有大面积制备、无污染等优点；制备出的放射状金属纳米线的直径为几纳米，小于传统模板法制备出来的纳米线直径。
【IPC分类】C23C14/18, C23C14/30, C23C14/35, C23C14/16, C23C14/06, C23C14/58
【公开号】CN105568228
【申请号】CN201610112856
【发明人】邹友生, 惠帅
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年2月29日