专利名称：玻璃表面选择性无电镀金方法
技术领域：
本发明涉及玻璃表面镀金，特别是一种玻璃表面选择性无电镀金方法。
背景技术：
芯片实验室(lab-on-a-chip)是一块能实现普通生化实验室各种功能及物理光电集成功能的厘米甚至微米量级的芯片。在芯片表面实现选择性金属化可促进芯片实验室的电学功能集成，目前已被报道的有在玻璃表面选择性镀铜技术(参见文献J. Xu, Y. Liao, H.Zeng, Z. Zhou, H. Sun, J. Song, X. Wang, Y. Cheng, Z. Z. Xu, K. Sugioka andK. Midorikawa, Opt.Express 15 (2007) : 12743-12748.)和在聚苯乙烯表面选择性镀金技术(参见文献Q. H. Zhou, H. ff. Chen and Y. Wang, Electrochim. Acta 55 (2010) : 2542-2549.)，前者 由于铜的化学惰性较差，在做一些化学探测分析实验时容易与溶液反应被腐蚀进而影响实验结果，后者是基于平面光刻的方法所采用的基底材料是聚苯乙烯，它的缺点是由于利用平面光刻技术所镀的金属仅在样品表面，而聚苯乙烯不耐高温高压容易变形所以镀的金极易脱落，更致命的一点是聚苯乙烯还易被有机溶剂腐蚀，因此，为了拓展芯片实验室在生化领域的广泛应用，发展新的选择性镀金技术十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种玻璃表面选择性无电镀金方法，在上述两种技术基础上结合飞秒激光直写及无电镀金技术的优点实现了在玻璃表面选择性镀金，解决了之前技术无法在玻璃表面选择性镀金的问题同时也解决了化学镀金牢固度不高的问题，本发明由于采用的是耐高温高压，不易被有机溶剂腐蚀且具有良好生物兼容性的玻璃做基底所以可被广泛的应用在生化分析领域。本发明的技术方案如下一种玻璃表面选择性无电镀金方法，其特点在于该方法是首先利用飞秒激光在玻璃表面烧蚀出沟槽，然后在烧蚀的沟槽区域涂覆硝酸银溶液，再用飞秒激光辐照该区域使硝酸银分解并在沟槽内沉积出银原子，最后把沟槽内沉积有银原子的玻璃放进配好的镀金溶液中进行恒温镀金，取出冲洗再退火处理。该方法包括下列具体步骤①将经清水超声清洗干净的待镀金的玻璃工件置于计算机控制的三维移动平台上，用物镜将飞秒激光聚焦在所述的玻璃工件的表面，然后调节能量衰减器将飞秒激光的平均功率调到150 300mw，扫描速度的选择范围是Γ 00 μ m/s,计算机控制所述的平台相对于飞秒激光的焦点移动，使所述的飞秒激光对所述的玻璃工件按所需要的图案进行扫描加工；②将加工好的玻璃工件依次用丙酮超声清洗I分钟以上、无水乙醇超声清洗I分钟以上、蒸馏水超声清洗I分钟以上，然后用氮气风干；③在所述的玻璃工件上的几何图案处涂覆硝酸银溶液，该硝酸银溶液的浓度范围是 O. 1M/L 1M/L ；④将所述的飞秒激光能量调低至所述的玻璃工件的损伤阈值，对所述的玻璃工件上的几何图案再次扫描，当看到激光扫描处变黑停止扫描；⑤用50°C ^65°C的水冲洗所述的扫描后的玻璃工件，冲洗3飞分钟，将未受激光辐射区域的硝酸银冲洗掉；⑥将冲洗后的所述的玻璃工件放在镀金溶液中，然后将盛有镀金溶液的器皿密封放在温度范围为45°C 65°C的热水中，加热O. 5^1小时，所述的镀金溶液的配方是50ml蒸馏水中含有Na2S03795 805mg、HCHO 935 955mg、Na3Au (SO3) 2160 175mg 和 2-2 联吡啶I 2mg ；⑦取出所述的玻璃工件，用水冲洗5分钟以上，将所述的玻璃工件上的镀金废液冲洗掉，然后放入高温炉中，温度保持在295°C 305°C，退火O. 5^1. 5小时。 所述的图案为直沟槽，“ Ω ”形沟槽或其他图案。所述的玻璃工件的损伤阈值为5mw 15mw。与以往技术相比较，本发明的优点在于I、可在玻璃表面进行选择性镀金。2、飞秒激光直写的沟槽具有良好的粗糙度(平均60nm)使得金粒子能够牢固的内嵌在沟槽内不易脱落。其中对四条镀得的金线条超声10分钟测其牢固度，结果无一脱落，根据实验所得的金线条的实际数据算得其电阻率为2. 25Χ10_7Ω.Π1，与纯金的电阻率相差在I个数量级以内。3、整体(包括玻璃基底和金线条)的化学和物理性能稳定，能够被广泛的应用在生化分析领域。4、可镀微米量级的金线条(大于IOum)，便于芯片实验室的小型化和集成化。
具体实施例方式本发明利用飞秒激光直写和无电镀金技术实现了在玻璃上的选择性镀金。为了更好地理解重现本发明的内容，下面将结合本发明实施例加以说明，基于发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例都是本发明所保护的范围。实施例I—种玻璃表面选择性无电镀金方法，本发明所用飞秒激光器为Coherent公司商用激光器，所用平台为prior公司三维移动平台，所用实验装置示意图参见文献:(Y. Liao, J. Song, E. Li, Y. Luo, Y. Shen, D. Chen, Y. Cheng, Z. Xu, K. Sugioka, andK.Midorikawa, Lab Chip 12(2012) :746 - 749.) Fig. I (a)，该方法包括下列步骤(I)将用清水超声洗干净的玻璃工件放在可用电脑编程控制的三维移动平台上，用数值孔径为0. 45的20 X物镜将飞秒激光(波长为800nm，脉冲宽度为40fs，重复频率为250KHZ)聚焦在玻璃表面，然后调节能量衰减器将飞秒激光的平均功率调到150 300mw，扫描速度可通过计算机程序调节，选择范围是I μ m/s，启动控制程序使平台相对于飞秒激光的焦点移动，使所述的飞秒激光对所述的玻璃工件按所需要的图案进行扫描加工；(2)将加工好的玻璃工件依次用丙酮超声清洗I分钟以上、无水乙醇超声清洗I分钟以上、蒸馏水超声清洗I分钟以上，然后用氮气风干；(3)在所述的玻璃工件上的几何图案处涂覆硝酸银溶液，可选用硝酸银溶液的浓度范围是O. 1M/L；(4)将飞秒激光能量调低至玻璃的损伤阈值5mw，对所述的玻璃工件上的几何图案再次扫描，当看到激光扫描处变黑停止扫描；(5)用50°C水冲洗所述的扫描后的玻璃工件，冲洗3分钟，将未受激光辐射区域的硝酸银冲洗掉；(6)将冲洗后的所述的玻璃工件放在镀金溶液中，然后将盛有镀金溶液的器皿密封放在热水中(温度45°C )，加热O. 5小时，所述的镀金溶液的配方是50ml蒸馏水中分别加A (a) 795mg Na2SO3 (亚硫酸钠)；(b) 935mg HCHO (甲醒)；(c) 160mgNa3Au (SO3) 2 (亚硫酸金钠)；(d) lmg2-2联吡啶；·
(7)取出所述的玻璃工件冲洗5分钟以上将其上的镀金废液冲洗掉，然后放入程控高温炉中温度保持在295°C退火O. 5小时。实施例2本实施例包括下列步骤(I)将用清水超声洗干净的玻璃工件放在可用电脑编程控制的三维移动平台上，用数值孔径为O. 6的50X物镜将飞秒激光(波长为800nm，脉冲宽度为40fs，重复频率为250KHZ)聚焦在玻璃表面然后调节能量衰减器将平均功率调到200mw，扫描速度可通过计算机程序调节，选择范围是50 μ m/s，启动控制程序使平台相对于飞秒激光的焦点移动，使所述的飞秒激光对所述的玻璃工件按所需要的图案进行扫描加工(如直沟槽，“ Ω ”形结构等等);(2)将加工好的玻璃工件依次用丙酮超声清洗I分钟以上、无水乙醇超声清洗I分钟以上、蒸馏水超声清洗I分钟以上，然后用氮气风干；(3)在所述的玻璃工件上的几何图案处涂覆硝酸银溶液，可选用硝酸银溶液的浓度范围是O. 5M/L ；(4)将飞秒激光能量调低至玻璃的损伤阈值lOmw，对所述的玻璃工件上的几何图案再次扫描，当看到激光扫描处变黑停止扫描；(5)用55°C水冲洗所述的扫描后的玻璃工件，冲洗3分钟，将未受激光辐射区域的硝酸银冲洗掉；(6)将冲洗后的所述的玻璃工件放在镀金溶液中，然后将盛有镀金溶液的器皿密封放在热水中(温度55°C )，加热O. 5小时，所述的镀金溶液的配方是50ml蒸馏水中分别加入(a) 798mg Na2SO3 ； (b) 940mg HCHO ； (c) 165mg Na3Au (SO3) 2 ； (d) I. 2mg2_2 联吡啶；(7)取出所述的玻璃工件冲洗5分钟以上将其上的镀金废液冲洗掉，然后放入程控高温炉中温度保持在297°C退火O. 8小时。实施例3本实施例包括下列步骤(I)将用清水超声洗干净的玻璃工件放在可用电脑编程控制的三维移动平台上，用数值孔径为O. 6的50X物镜将飞秒激光(波长为800nm，脉冲宽度为40fs，重复频率为250KHZ)聚焦在玻璃表面然后调节能量衰减器将平均功率调到200mw，扫描速度可通过计算机程序调节，选择范围是100 μ m/s，启动控制程序使平台相对于飞秒激光的焦点移动，使所述的飞秒激光对所述的玻璃工件按所需要的图案进行扫描加工(如直沟槽，“ Ω ”形结构等等);(2)将加工好的玻璃工件依次用丙酮超声清洗I分钟以上、无水乙醇超声清洗I分钟以上、蒸馏水超声清洗I分钟以上，然后用氮气风干；(3)在所述的玻璃工件上的几何图案处涂覆硝酸银溶液，可选用硝酸银溶液的浓度范围是O. 8M/L；(4)将飞秒激光能量调低至玻璃的损伤阈值13mw，对所述的玻璃工件上的几何图案再次扫描，当看到激光扫描处变黑停止扫描；(5)用60°C水冲洗所述的扫描后的玻璃工件，冲洗3分钟将未受激光辐射区域的硝酸银冲洗掉； (6)将冲洗后的所述的玻璃工件放在镀金溶液中，然后将盛有镀金溶液的器皿密封放在热水中(温度60°C )，加热O. 8小时，本发明涉及的镀金溶液的配方是50ml蒸馏水中分别加入(a) 800mg Na2SO3 ； (b) 947mg HCHO ； (c) 168mg Na3Au (SO3) 2 ； (d) I. 5mg 2-2 联吡啶；(7)取出所述的玻璃工件冲洗5分钟以上将其上的镀金废液冲洗掉，然后放入程控高温炉中温度保持在300°C退火I小时。实施例4本实施例包括下列步骤(I)将用清水超声洗干净的玻璃工件放在可用电脑编程控制的三维移动平台上，用数值孔径为O. 6的50X物镜将飞秒激光(波长为800nm，脉冲宽度为40fs，重复频率为250KHZ)聚焦在玻璃表面然后调节能量衰减器将平均功率调到250mw，扫描速度可通过计算机程序调节，选择范围是100 μ m/s，启动控制程序使平台相对于飞秒激光的焦点移动，使所述的飞秒激光对所述的玻璃工件按所需要的图案进行扫描加工(如直沟槽，“ Ω ”形结构等等);(2)将加工好的玻璃工件依次用丙酮超声清洗I分钟以上、无水乙醇超声清洗I分钟以上、蒸馏水超声清洗I分钟以上，然后用氮气风干；(3)在所述的玻璃工件上的几何图案处涂覆硝酸银溶液，可选用硝酸银溶液的浓度范围是1M/L ；(4)将飞秒激光能量调低至玻璃的损伤阈值15mw，对所述的玻璃工件上的几何图案再次扫描，当看到激光扫描处变黑停止扫描；(5)用60°C水冲洗所述的扫描后的玻璃工件，冲洗3分钟将未受激光辐射区域的硝酸银冲洗掉；(6)将冲洗后的所述的玻璃工件放在镀金溶液中，然后将盛有镀金溶液的器皿密封放在热水中(温度60°C)，加热O. 5小时，本发明涉及的镀金溶液的配方是50ml蒸馏水中分别加入(a) 802mg Na2SO3 ； (b) 950mg HCHO ； (c) 170mg Na3Au (SO3) 2 ； (d) I. 7mg 2-2 联吡啶；(7)取出所述的玻璃工件冲洗5分钟以上将其上的镀金废液冲洗掉，然后放入程控高温炉中温度保持在300°C退火I小时。实施例5本实施例包括下列步骤
(I)将用清水超声洗干净的玻璃工件放在可用电脑编程控制的三维移动平台上，用数值孔径为O. 9的100X物镜将飞秒激光(波长为800nm，脉冲宽度为40fs，重复频率为250KHZ)聚焦在玻璃表面然后调节能量衰减器将平均功率调到280mw，扫描速度可通过计算机程序调节，选择范围是100 μ m/s，启动控制程序使平台相对于飞秒激光的焦点移动，使所述的飞秒激光对所述的玻璃工件按所需要的图案进行扫描加工(如直沟槽，“ Ω ”形结构等等);(2)将加工好的玻璃工件依次用丙酮超声清洗I分钟以上、无水乙醇超声清洗I分钟以上、蒸馏水超声清洗I分钟以上，然后用氮气风干；(3)在所述的玻璃工件上的几何图案处涂覆硝酸银溶液，可选用硝酸银溶液的浓度范围是1M/L ；(4)将飞秒激光能量调低至玻璃的损伤阈值15mw，对所述的玻璃工件上的几何图案再次扫描，当看到激光扫描处变黑停止扫描；
(5)用60°C水冲洗所述的扫描后的玻璃工件，冲洗3分钟将未受激光辐射区域的硝酸银冲洗掉；(6)将冲洗后的所述的玻璃工件放在镀金溶液中，然后将盛有镀金溶液的器皿密封放在热水中(温度60°C)，加热O. 5小时，本发明涉及的镀金溶液的配方是50ml蒸馏水中分别加入(a) 804mg Na2SO3 ； (b)953mg HCHO ； (c) 173mg Na3Au (SO3) 2 ； (d) I. 8mg2_2 联吡啶；(7)取出所述的玻璃工件冲洗5分钟以上将其上的镀金废液冲洗掉，然后放入程控高温炉中温度保持在300°C退火I小时。实施例6本实施例包括下列步骤(I)将用清水超声洗干净的玻璃工件放在可用电脑编程控制的三维移动平台上，用数值孔径为O. 9的100X物镜将飞秒激光(波长为800nm，脉冲宽度为40fs，重复频率为250KHZ)聚焦在玻璃表面然后调节能量衰减器将平均功率调到300mw，扫描速度可通过计算机程序调节，选择范围是100 μ m/s，启动控制程序使平台相对于飞秒激光的焦点移动，使所述的飞秒激光对所述的玻璃工件按所需要的图案进行扫描加工(如直沟槽，“ Ω ”形结构等等);(2)将加工好的玻璃工件依次用丙酮超声清洗I分钟以上、无水乙醇超声清洗I分钟以上、蒸馏水超声清洗I分钟以上，然后用氮气风干；(3)在所述的玻璃工件上的几何图案处涂覆硝酸银溶液，可选用硝酸银溶液的浓度范围是1M/L ；(4)将飞秒激光能量调低至玻璃的损伤阈值15mw，对所述的玻璃工件上的几何图案再次扫描，当看到激光扫描处变黑停止扫描；(5)用65°C水冲洗所述的扫描后的玻璃工件，冲洗3分钟将未受激光辐射区域的硝酸银冲洗掉；(6)将冲洗后的所述的玻璃工件放在镀金溶液中，然后将盛有镀金溶液的器皿密封放在热水中(温度65°C)，加热O. 5小时，本发明涉及的镀金溶液的配方是50ml蒸馏水中分别加入(a) 805mg Na2SO3 ； (b)955mg HCHO ； (c) 175mg Na3Au (SO3) 2 ； (d) 2mg2_2 联吡啶；(7)取出所述的玻璃工件冲洗5分钟以上将其上的镀金废液冲洗掉，然后放入程控高温炉中温度保持在305°C退火I. 5小时。实验表明本发明具有下列优点I、可在玻璃表面进行选择性镀金。2、飞秒激光直写的沟槽具有良好的粗糙度(平均60nm)使得金粒子能够牢固的内嵌在沟槽内不易脱落。其中对四条镀得的金线条超声10分钟测其牢固度，结果无一脱落，根据实验所得的金线条的实际数据算得其电阻率为2. 25Χ10_7Ω.πι，与纯金的电阻率相差在I个数量级以内。3、整体(包括玻璃基底和金线条)的化学和物理性能稳定，能够被广泛的应用在生 化分析领域。4、可镀微米量级的金线条(大于IOum)，便于芯片实验室的小型化和集成化。
权利要求
1.一种玻璃表面选择性无电镀金方法，其特征在于该方法是首先利用飞秒激光在玻璃表面烧蚀出沟槽，然后在烧蚀的沟槽区域涂覆硝酸银溶液，再用飞秒激光辐照该区域使硝酸银分解并在沟槽内沉积出银原子，最后把沟槽内沉积有银原子的玻璃放进配好的镀金溶液中进行恒温镀金，取出冲洗再退火处理。
2.根据权利要求I所述的玻璃表面选择性无电镀金方法，其特征在于该方法包括下列步骤 ①将经清水超声清洗干净的待镀金的玻璃工件置于计算机控制的三维移动平台上，用物镜将飞秒激光聚焦在所述的玻璃工件的表面，然后调节能量衰减器将飞秒激光的平均功率调到150 300mw，扫描速度的选择范围是Γ ΟΟ μ m/s,计算机控制所述的平台相对于飞秒激光的焦点移动，使所述的飞秒激光对所述的玻璃工件按所需要的图案进行扫描加工； ②将加工好的玻璃工件依次用丙酮超声清洗I分钟以上、无水乙醇超声清洗I分钟以上、蒸馏水超声清洗I分钟以上，然后用氮气风干； ③在所述的玻璃工件上的几何图案处涂覆硝酸银溶液，该硝酸银溶液的浓度范围是O. 1M/L 1M/L ； ④将所述的飞秒激光能量调低至所述的玻璃工件的损伤阈值，对所述的玻璃工件上的几何图案再次扫描，当看到激光扫描处变黑停止扫描； ⑤用50°C^65°C的水冲洗所述的扫描后的玻璃工件，冲洗3飞分钟，将未受激光辐射区域的硝酸银冲洗掉； ⑥将冲洗后的所述的玻璃工件放在镀金溶液中，然后将盛有镀金溶液的器皿密封放在温度范围为45°C 65°C的热水中，加热O. 5^1小时，所述的镀金溶液的配方是50ml蒸馏水中含有Na2S03795 805mg、HCHO 935 955mg、Na3Au (SO3) 2160 175mg 和 2-2 联吡啶 I 2mg ； ⑦取出所述的玻璃工件，用水冲洗5分钟以上，将所述的玻璃工件上的镀金废液冲洗掉，然后放入高温炉中，温度保持在295°C 305°C，退火O. 5^1. 5小时。
3.根据权利要求2所述的玻璃表面选择性无电镀金方法，其特征在于所述的玻璃工件的损伤阈值为5mw 15mw。
全文摘要
一种玻璃表面选择性无电镀金方法，首先利用飞秒激光在玻璃表面烧蚀出沟槽，然后在烧蚀的沟槽区域涂覆硝酸银溶液，再用飞秒激光辐照该区域使硝酸银分解并在沟槽内沉积出银原子，最后把沟槽内沉积有银原子的玻璃放进配好的镀金溶液中，恒温镀0.5～1小时，取出冲洗退火处理。利用该方法可制备出既有较好选择性，粘附性及导电性的内嵌在玻璃表面的微米量级的金线条。
文档编号C03C17/10GK102875031SQ20121033540
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者宋江新, 廖洋, 刘昌宁, 林迪, 何飞, 林锦添, 程亚, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所