专利名称：图案化纳米模板及其制备方法
图案化纳米模板及其制备方法技术领域
本发明属于纳米技术领域，涉及一种高度有序、尺寸可调的图案化纳米模板及其 制备方法。
背景技术：
近年来，随着器件尺度的减小，纳米结构材料的可控图案化生长在电子学、光电子 学、电化学以及电动机械学等领域具有非常重要的应用前景。
为实现纳米材料的图案化可控生长，关键在于制备图案化的催化剂或者籽晶层模 板。目前，刻蚀法被广泛用来制备图案化模板。刻蚀法主要有光刻、电子束曝光、X射线曝光、 聚焦离子束刻蚀以及近年来引起广泛研究的纳米球刻蚀方法(nanosphere lithography, NSL)等等。其中，普通光刻法由于受衍射极限分辨率的限制，难以用于制备纳米结构。电子 束曝光、X射线曝光、聚焦离子束刻蚀法设备复杂、效率低、成本高，难以实现规模化。纳米 球刻蚀法是利用纳米胶体球(如聚苯乙烯微球)的自组装效应制备的单层或者多层有序阵 列为掩膜，在其上沉积所需的材料，去掉掩膜后就可以得到有序的纳米尺度的图案，具有操 作简单、成本低廉、大面积有序、重复性好等优点。然而，简单的以纳米胶体球为掩膜的纳米 球刻蚀法，制备出的图案单一，且尺寸可调节性差。发明内容
针对现有制备方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种图案化纳米模板及其 制备方法，该方法利用聚苯乙烯(PQ微球的自组装效应和非晶的TiO2溶胶相结合得到高 度有序的反蛋白石结构的纳米模板。该方法具有设备简单、成本低廉、大面积高度有序、可 调节性好等特点。
本发明解决技术问题所采用的技术方案
本发明提供一种一种制备图案化纳米模板的方法，包括以下步骤
步骤1 利用提拉法，在亲水性良好的平面衬底上组装PS球，得到单层有序的PS 球薄膜；
步骤2 利用氧等离子体刻蚀PS球，改变PS球的大小；
步骤3 旋涂异丙醇稀释的TiA溶胶，静置待TiA溶胶固化，使TiA溶胶填充PS 球间隙；
步骤4 甲苯中超声完全去除PS球，得到图案化的纳米模板。
其中所用PS球的直径为0. 2-2 μ m，该PS球分散在水中的浓度为l-5wt%。
其中利用提拉法组装单层PS球时，静置时间为2-5分钟，提拉速度为200-2000 μm/sο
其中氧等离子体刻蚀PS球的功率为40-200W，工作压强为5_50mTorr。
其中TW2溶胶稀释于异丙醇中，TiO2溶胶浓度为0. 01-0. 2mol/L。
其中旋涂TiO2溶胶时，转速为2000-6000转/分钟，旋涂时间为50-100秒，之后室温静置3小时待TW2溶胶固化。
其中甲苯中超声去除PS球，超声处理时间为20-80分钟。
为使审查员能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具 体实施例的详细说明如后，其中
图1是图案化纳米模板的制备流程图2是氧等离子体刻蚀PS球不同时间的扫描电镜图(a)未刻蚀的PS球；(b)氧 等离子体刻蚀1. 5分钟，(c)氧等离子体刻蚀2分钟；(d)氧等离子体刻蚀2. 5分钟。
图3是4种PS球样品旋涂TW2溶胶并去除PS球后对应的图案化纳米模板(a) 未刻蚀的PS球；(b)氧等离子体刻蚀1. 5分钟；(C)氧等离子体刻蚀2分钟；(d)氧等离子 体刻蚀2. 5分钟。
图4是利用图案化纳米模板制备的氧化锌纳米花、纳米棒阵列(a)图案化的氧化 锌纳米花；(b)图案化的氧化锌纳米棒。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种制备图案化纳米模板的方法，包括以下步骤
步骤1 利用提拉法，在亲水性良好的平面衬底10上组装PS球20，得到单层有序 的PS球20薄膜，该PS球20的直径为0. 2-2 μ m,该PS球20分散在水中的浓度为l_5wt % ； 其中利用提拉法组装单层PS球20时，静置时间为2-5分钟，提拉速度为200-2000 μ m/s ； 利用这种方法得到了大面积高度有序的单层PS球薄膜；
步骤2 利用氧等离子体刻蚀PS球20，改变PS球20的大小，氧等离子体刻蚀PS 球20的功率为40-200W，工作压强为δ-δΟπ^οΓΓ ；其中，在功率为100W，工作压强为ZOmiTorr 下，氧等离子体分别刻蚀0、1. 5、2、2. 5分钟的结果如图2所示；通过调节氧等离子体刻蚀的 相关参数，实现了对PS球20大小的控制；
步骤3 旋涂异丙醇稀释的TW2溶胶30，静置待TW2溶胶30固化，使TW2溶胶30 填充PS球20间隙，该TiA溶胶30稀释于异丙醇中，TiO2溶胶30浓度为0. 01-0. 2mol/L ； 其中旋涂TW2溶胶30时，转速为2000-6000转/分钟，旋涂时间为50-100秒，之后室温静 置3小时待TW2溶胶30固化；
步骤4 甲苯中超声完全去除PS球20，所述超声处理时间为20-80分钟，得到反蛋 白石结构的Ti02纳米模板，如图3所示。
实施例在Si (100)衬底上生长图案化的氧化锌纳米结构
利用磁控溅射法，在Si (100)衬底上沉积40nm厚的氧化锌薄膜作为籽晶层；
在上述籽晶衬底上，利用本发明所描述的方法制备图案化纳米模板，其中，氧等离 子体刻蚀PS球20时间为1. 5分钟；
将得到的覆盖有图案化纳米模板的籽晶层，放入反应釜，以硝酸锌和六亚甲基四 胺为反应物，分别在0. 02mol/L、60°C和0. 05mol/L、50°C条件下水热法生长4小时。
按照上述生长工艺，在Si (001)衬底上制备了图案化的氧化锌纳米花、纳米棒阵 列，扫描电镜照片如图4所示。其中，反应物浓度为0.02mol/L、反应温度为60°C时得到图案化的纳米花阵列(图4(a))；反应物浓度为0.05mol/L、反应温度为50°C时得到图案化的 纳米棒阵列(图4(b))。从图中可以看到，纳米花或者纳米棒呈规则的六角阵列分布，这与 自组装单层PS球排列一致，说明由于PS球的掩膜作用，TiO2溶胶只能覆盖PS球的间隙位 置，去除PS球后，PS球中心位置的氧化锌籽晶层暴露出来，并通过水热反应长出纳米花或 者纳米棒。
发明与背景技术相比所具有的有意义的结果
本发明利用聚苯乙烯(PQ微球的自组装效应和非晶的TW2溶胶相结合得到高度 有序的图案化纳米模板，并通过氧等离子体刻蚀PS球调节图案的大小。与其它制备方法， 如光刻、电子束曝光、X射线曝光、聚焦离子束刻蚀法相比，具有设备简单、成本低廉、大面积 高度有序、可调节性好等特点。为实现纳米结构材料的可控图案化生长奠定了基础。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种制备图案化纳米模板的方法，包括以下步骤步骤1 利用提拉法，在亲水性良好的平面衬底上组装PS球，得到单层有序的PS球薄膜；步骤2 利用氧等离子体刻蚀PS球，改变PS球的大小；步骤3 旋涂异丙醇稀释的TiA溶胶，静置待TiA溶胶固化，使TiA溶胶填充PS球间隙；步骤4 甲苯中超声完全去除PS球，得到图案化的纳米模板。
2.根据权利要求1所述的制备图案化纳米模板的方法，其中所用PS球的直径为 0. 2-2 μ m,该PS球分散在水中的浓度为l_5wt%。
3.根据权利要求1所述的制备图案化纳米模板的方法，其中利用提拉法组装单层PS球 时，静置时间为2-5分钟，提拉速度为200-2000 μ m/s。
4.根据权利要求1所述的制备图案化纳米模板的方法，其中氧等离子体刻蚀PS球的功 率为40-200W，工作压强为5-50mTorr。
5.根据权利要求1所述的制备图案化纳米模板的方法，其中TiO2溶胶稀释于异丙醇 中，TiO2 溶胶浓度为 0. 01-0. 2mol/L。
6.根据权利要求1所述的制备图案化纳米模板的方法，其中旋涂T^2溶胶时，转速为 2000-6000转/分钟，旋涂时间为50-100秒，之后室温静置3小时待TW2溶胶固化。
7.根据权利要求1所述的制备图案化纳米模板的方法，其中甲苯中超声去除PS球，超 声处理时间为20-80分钟。
全文摘要
一种制备图案化纳米模板的方法，包括以下步骤步骤1利用提拉法，在亲水性良好的平面衬底上组装PS球，得到单层有序的PS球薄膜；步骤2利用氧等离子体刻蚀PS球，改变PS球的大小；步骤3旋涂异丙醇稀释的TiO2溶胶，静置待TiO2溶胶固化，使TiO2溶胶填充PS球间隙；步骤4甲苯中超声完全去除PS球，得到图案化的纳米模板。
文档编号B82Y40/00GK102030559SQ20101052023
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者尹志岗, 张兴旺, 张曙光, 白一鸣, 董敬敬, 谭海仁, 高云 申请人:中国科学院半导体研究所