一种周期性纳米阵列的制备方法

1.本发明涉及一种周期纳米材料制备技术领域，尤其是涉及一种周期性纳米阵列的制备方法。


背景技术：

2.近年来，由于纳米材料的突出特性和纳米器件的广泛使用，使得纳米制造技术得到了很大的重视。目前已出现多种先进的纳米制造技术，例如电子束曝光光刻、聚焦离子束光刻、纳米压印技术等等。但是这些制备方法大多数具有成本高、效率低、可控性差等缺点限制了他们的应用。本发明所提出的离子束刻蚀法制备纳米结构操作简单，成本低，具有较好的发展前途。
3.均匀及有序的纳米结构会具有更加稳定和优异的性能，因此开发新型的、高度有序的纳米结构具有非常重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明是为了提供一种工艺步骤简单，过程稳定可控的周期性纳米阵列的制备方法，得到的周期性纳米阵列均匀性和周期性都较好，具有广泛的应用前景。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明的一种周期性纳米阵列的制备方法，包括以下步骤：(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列。
6.(2)利用离子束刻蚀技术对所得到的单层聚苯乙烯微球阵列进行刻蚀。
7.本发明提供了一种新型有序纳米结构的制备方法，该方法是以有序聚苯乙烯小球阵列为基础，利用离子束刻蚀对此进行轰击，由于相邻球的阴影效应最终可以得到一种具有特定方向性的有序纳米结构阵列。当样品倾斜角度不同，即束流与样品所成角度变化时，相邻球遮挡的阴影区域也会发生变化，当倾斜角度变大时，阴影区域也会变大；本发明得到的阵列相比起未经刻蚀的聚苯乙烯阵列，由于阴影效应所形成的沟道，使得整个纳米阵列具有了特定的方向性。通过本发明得到的纳米阵列具有较好的均匀性、周期性及方向性，因此具有广泛的应用。
8.作为优选，步骤(1)中，自组装法具体步骤为：将聚苯乙烯小球和无水乙醇混合、均匀分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用。
9.作为优选，聚苯乙烯小球直径为500nm。
10.作为优选，所述聚苯乙烯小球和无水乙醇混合按体积比1:1混合。
11.作为优选，分散采用超声分散。
12.作为优选，清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别
加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸10～20min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声10～15min。
13.作为优选，步骤(2)中，离子束刻蚀的工艺参数为：刻蚀时间为15min，刻蚀气体为ar，刻蚀时真空度为5
×
10-2
pa，放电电压为60～70v，灯丝电流为5～8a，加速电压为200～300v，束流30～50ma，束流与样品所成角度为0
°
～90
°
。本发明采用了操作简单的离子束刻蚀进行制备，通过改变刻蚀角度、束流、电压、电流等实验参数可以得到不同的纳米结构阵列；因为电压电流总体上控制着束流的大小即刻蚀的强弱，所以本发明主要以样品偏转角度及束流为变量来得到不同的结构，当以角度为变量时，由于倾斜角度在0
°
到90
°
的范围内相邻球的遮挡面积是不一样的，因此刻蚀后的结构也是不一样的，当束流与样品所成角度θ为0
°
时，相邻球之间无遮挡，因此整个球的上部都会被均匀的刻掉；当束流与样品所成角度θ为45
°
时，相邻球之间有些许的遮挡，会导致刻蚀不均匀，被遮挡处留下小的沟道；当束流与样品所成角度θ为60
°
时，相邻球之间的遮挡面积增加，导致留下的沟道面积增大，倾斜角继续增加时，沟道的面积也会增加；当以时间为变量时，随着刻蚀时间的延长球的上部被刻蚀的越来越低，逐渐失去球的形状。
14.因此，本发明具有如下有益效果：以有序聚苯乙烯小球阵列为基础，利用离子束刻蚀对对纳米球阵列的形貌可控的进行轰击，当离子束与样品之间角度不同时，相邻球之间的阴影效应略有不同，由此可以得到具有特定方向性的有序纳米阵列，其良好的周期性对于新型纳米结构的制备会有较大的应用。
附图说明
15.图1是本发明中束流与样品所成角度示意图。
16.图2是实施例1得到的周期性纳米阵列扫描电子显微镜图。
17.图3是实施例2得到的周期性纳米阵列扫描电子显微镜图。
18.图4是实施例3得到的周期性纳米阵列扫描电子显微镜图。
19.图5是实施例4得到的周期性纳米阵列扫描电子显微镜图。
20.图中：θ为束流与样品所成角度。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
22.实施例1(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列，自组装法具体步骤为：将500nm的聚苯乙烯小球和无水乙醇按体积比1:1混合、超声分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用；清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸10min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水
乙醇反复超声10min。
23.(2)利用离子束刻蚀技术对所得到的单层聚苯乙烯微球阵列进行刻蚀，离子束刻蚀的工艺参数为：刻蚀时间为15min，刻蚀气体为ar，刻蚀时真空度为5
×
10-2
pa，放电电压为70v，灯丝电流为5a，加速电压为300v，束流50ma，束流与样品所成角度θ示意图如图1所示，本实施例中θ为0
°
。
24.得到的周期性纳米阵列扫描电子显微镜图如图2所示。
25.实施例2(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列，自组装法具体步骤为：将500nm的聚苯乙烯小球和无水乙醇按体积比1:1混合、超声分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用；清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸12min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声10min。
26.(2)利用离子束刻蚀技术对所得到的单层聚苯乙烯微球阵列进行刻蚀，离子束刻蚀的工艺参数为：刻蚀时间为15min，刻蚀气体为ar，刻蚀时真空度为5
×
10-2
pa，放电电压为70v，灯丝电流为5a，加速电压为300v，束流50ma，束流与样品所成角度θ示意图如图1所示，本实施例中θ为30
°
。
27.得到的周期性纳米阵列扫描电子显微镜图如图3所示。
28.实施例3(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列，自组装法具体步骤为：将500nm的聚苯乙烯小球和无水乙醇按体积比1:1混合、超声分散，得聚苯乙烯小球分散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用；清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸15min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声15min。
29.(2)利用离子束刻蚀技术对所得到的单层聚苯乙烯微球阵列进行刻蚀，离子束刻蚀的工艺参数为：刻蚀时间为15min，刻蚀气体为ar，刻蚀时真空度为5
×
10-2
pa，放电电压为70v，灯丝电流为5a，加速电压为300v，束流50ma，束流与样品所成角度θ示意图如图1所示，本实施例中θ为45
°
。
30.得到的周期性纳米阵列扫描电子显微镜图如图4所示。
31.实施例4(1)采用自组装法制备得到六方密排的单层聚苯乙烯微球阵列，自组装法具体步骤为：将500nm的聚苯乙烯小球和无水乙醇按体积比1:1混合、超声分散，得聚苯乙烯小球分
散液；将聚苯乙烯小球分散液滴在亲水性硅片上，使聚苯乙烯小球分散液均匀分布在亲水性硅片上后，将亲水性硅片缓慢、倾斜地滑入液面平稳的去离子水中，使聚苯乙烯小球在水面上形成密排的单层聚苯乙烯小球阵列；用清洗后的硅片将浮在水面上的单层聚苯乙烯小球阵列缓慢捞起，吸水干燥后备用；清洗后的硅片通过以下方法制得：将硅片并放入烧杯中，在烧杯中分别加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中；再将烧杯放在烤焦台上加热至沸腾，并保持煮沸20min，冷却后将液体倒出，依次用去离子水，无水乙醇反复超声12min。
32.(2)利用离子束刻蚀技术对所得到的单层聚苯乙烯微球阵列进行刻蚀，离子束刻蚀的工艺参数为：刻蚀时间为15min，刻蚀气体为ar，刻蚀时真空度为5
×
10-2
pa，放电电压为70v，灯丝电流为5a，加速电压为300v，束流50ma，束流与样品所成角度θ示意图如图1所示，本实施例中θ为60
°
。
33.得到的周期性纳米阵列扫描电子显微镜图如图5所示。
34.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。