一种金属纳米粒子有序微结构的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及由金属纳米粒子构成的有序微结构的制备方法，特别是一种利用皮秒 激光沉积与置换反应相结合制备由金属纳米粒子构成的有序微结构的方法。
【背景技术】
[0002] 金属纳米粒子由于其小尺寸而表现出其相应体材料不同的电学、光学、磁学和催 化等物理化学性质，使得其在催化、非线性光学、电子设备、生物传感等方面具有重要的应 用，特别是有序纳米材料，对纳米科技具有重要意义，如构筑纳米电子电路等。目前，常规 的金属薄膜有序微结构的制备方法包括电子束光刻W及纳秒脉冲激光直写等方法，然而均 存在比较明显的不足之处，例如，光刻技术由于工艺流程多而且使用光刻胶，所W既耗时又 非常昂贵，尤其对于亚微米特征尺寸的微结构更是如此；而皮秒激光直写技术由于有烙化 过程出现，因此使得加工精度、加工质量都受到显著影响。对于W上存在的问题，专利文献 CN1448755A公开了 "一种飞秒激光在金属薄膜上制备周期性微结构的方法"，采用的方法是 将飞秒激光器发出的一束光分成两束，经透镜聚焦实现时间和空间上的相干迭加，并使之 作用于沉积在石英、普通玻璃或娃基体上的金属薄膜，产生周期性微结构。虽然该方法制备 了周期性微结构，但是存在原料使用比较昂贵，比如金和销的使用，并且采用本方法制备周 期性微结构W后，剩余的金属薄膜不能被有效的利用，对一些昂贵的金属使用的成本会加 倍增加。
【发明内容】
[0003] 作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，本发明的发明人已经发现，采用皮秒 激光超精细加工W及金属置换反应的原理，提供一种利用还原电位较低金属置换还原电位 较高的金属，从而得到由金属纳米粒子构成的有序微结构的方法。基于运种发现，完成了本 发明。
[0004] 本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优 点。 阳〇化]为了实现根据本发明的运些目的和其它优点，提供了一种金属纳米粒子有序微结 构的制备方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤一、将一透明基体分别用纯净水、洗涂剂、丙酬和乙醇超声清洗5~lOmin，然 后用纯度为99. 9%的高压氮气吹干；
[0007] 步骤二、采用锻膜工艺，在所述透明基体的表面制备一层金属薄膜，所述金属薄膜 厚度为50~SOnm;
[0008] 步骤=、取一接收基体放置在计算机控制的=维移动平台上，将所述透明基体的 沉积有金属薄膜的一面与所诉接收基体相接触，同时采用分束片将皮秒激光器发出的光 束W1 :1的比例分成两束，然后用两个聚焦透镜将两束光聚焦，并使之作用于所述透明基 体的另一面对金属薄膜进行福照，在计算机程序的控制下，在接受基体上沉积有序的微结 构；
[0009] 步骤四、将沉积有有序微结构的接收基体加入到浓度为0. 5~3X10 5m〇l/L的含 AuC] 的化合物或含？托：1自-的化合物溶液中，在20~100°(：下，揽拌至溶液颜色发生变化 时停止反应，将接收基体用乙醇冲洗3~5次，然后烘干，即在接收基体表面得到金或销纳 米粒子有序微结构。
[0010] 优选的是，所述步骤一中超声清洗的超声频率为20~30KHZ、功率为700~ 1000 Wo
[0011] 优选的是，所述步骤二中的锻膜工艺为化学气相沉积、磁控瓣射、热蒸锻、电子束 蒸锻工艺中的一种。
[0012] 优选的是，所述磁控瓣射工艺的工作条件为：首先将磁控瓣射仪抽真空至小于 5Pa，然后开分子累，50min后开高真空计，查看瓣射真空腔内真空度，直至瓣射真空腔内真 空度至小于4X10 4Pa;采用体积比为100 : 1的氣气和氧气为本底气体，将透明基片放置 在将要瓣射的介质祀材上方，然后打开本底气体阀口开关W100毫升/分钟的通入量向腔 内充体积比为100 : 1的氣气和氧气，同时调节磁控瓣射仪闽板阀至工作气压为1.2Pa，接 着打开射频电源，调节至祀材瓣射所需功率150W，透明基片溫度25°C，瓣射20~50min，得 到金属薄膜。
[0013] 优选的是，所述电子束蒸锻工艺的工作条件为：将金属膜料放到电子束蒸发设 备的相蜗中，将透明基片放到电子束蒸发设备的加热电炉上，使透明基片位于相蜗正上方 25cm处；在真空度为5X10中a下锻膜，透明基片溫度控制在50~80°C，调节电子束使其 聚焦到金属膜料上的斑点最小，控制束流值在80mA，蒸发速率为化5A/S，沉积时间为30~ 60min，得到金属薄膜。
[0014] 优选的是，所述金属薄膜为侣薄膜、铜薄膜、银薄膜、锋薄膜中的一种；所述透明基 体和接收基体均为石英、普通玻璃、娃基体中的一种，具体可采用载玻片。
[0015] 优选的是，所述步骤=中皮秒激光器的工作参数为：脉宽10~I(K)PS,波长500~ 1200皿，脉冲频率1-500曲Z。
[0016] 优选的是，所述含AuC1.4的化合物溶液的配制采用的溶剂为去离子水和/或乙 醇；所述含PtCli的化合物溶液的配制采用的溶剂为去离子水和/或乙醇。
[0017] 优选的是，所述含AuCU的化合物溶液为氯金酸溶液；所述含口1〇自^的化合物溶 液为氯销酸溶液。
[0018] 优选的是，所述步骤=中两束光束的直径分别为4mm，两束光束的夹角为30°~ 90° ;两个聚焦透镜的焦距均为120mm。
[0019] 本发明可采用直接在透明基体沉积一层金属（侣、锋或铜）薄膜，取一接收基体 放置在计算机控制的=维移动平台上，将沉积有薄膜的一面与接收基体相接触，可W直接 采用皮秒激光从没有薄膜的一面福照，激光瞬间加热作用产生的压力驱动福照区的薄膜蒸 发到与其近乎接触的接受基体上，蒸发的金属迅速重新固化从而沉积到接受基体上，如图2 所示。
[0020] 本发明至少包括W下有益效果：
[0021] (1)采用金属置换反应的原理，提供一种利用还原电位较低金属置换还原电位较 高的金属，从而得到由金属纳米粒子构成的有序微结构的方法，采用化学方法，只需根据需 求加入适量的含AuCb的化合物溶液或含的化合物溶液，即可通过置换反应制备 金纳米有序结构和销纳米有序结构，节约了原材料的使用，不用使用整个金膜或销膜进行 沉积，不存在剩余的金属薄膜不能被有效的利用的问题；
[0022] (2)皮秒激光可在极短的时域内与材料相互作用，激光脉冲与金属薄膜的作用时 间小于电子冷却时间和晶格加热时间，因而不会产生烙化过程，所W可W取得亚微米的加 工精度。
[0023] (3)本方法利用皮秒激光脉冲，在实现空间和时间上的相干后，诱导周期微结构， 而不是采用光刻的流程去制备，因而制备工艺和方法简单、效率高，可获得500nmW下线宽 的有序微结构，本方法制备的金属纳米材料可用作非线性光学材料、催化材料、化学传感器 W及纳米材料电路等。
[0024] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本 发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
【附图说明】：
[0025] 图1为本发明采用皮秒激光的相干光束在金属薄膜上制备有序微结构的方法的 不意图；
[00%]图2为本发明皮秒激光在金属薄膜上制备有序微结构的方法的示意图；
[0027] 图3为本发明实施例1制备金纳米粒子有序微结构的吸收光谱图。
【具体实施方式】：
[0028] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，W令本领域技术人员参照说明书文 字能够据W实施。
[0029] 应当理解，本文所使用的诸如"具有"、"包含"W及"包括"术语并不配出一个或多 个其它元件或其组合的存在或添加。 阳030] 实施例1 :
[0031] 一种金纳米粒子有序微结构的制备方法，包括W下步骤：
[0032] 步骤一、将一透明基体分别用纯净水、洗涂剂、丙酬和乙醇超声清洗lOmi