[发明专利]一种原位还原金属纳米结构的直写方法

说明书

技术领域

本发明属于于纳米结构制造领域，涉及一种原位还原金属纳米结构，尤其是一种原位还原金属纳米结构的直写方法。

背景技术

随着纳米技术的快速发展，其应用已遍及信息、生物、能源、环境、机械等多个技术领域。近年来纳米器件的特征尺寸越来越小，而功能越来越强大。纳米尺度向着50nm以下迅速挺进，对纳米结构制造技术也提出了新的挑战。目前关于50nm及以下纳米制造工艺与方法包括电子束直接刻蚀、聚焦离子束FIB刻蚀、极紫外光光刻EUV，纳米压印、扫描探针显微镜加工等工艺方法。但这些现有方法不但可加工的材料种类少，而且效率较低、成本高。本发明提出一种利用金属离子可以发生化学还原反应原理来连续制备金属纳米结构的新工艺，可以在保证制造精度和效率的同时，降低制造成本，而且使用金属范围较广。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种原位还原金属纳米结构的直写方法，该方法利用多数金属离子可以在一定的热催化条件下发生还原反应的化学属性，采用STM扫描探针与基底之间的电流焦耳热诱导金属离子还原反应获得金属原子并原位沉积，在基底表面直接获取金属纳米结构，可以在保证制造精度和效率的同时，降低制造成本，而且使用金属范围较广。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：该种原位还原金属纳米结构的直写方法为：首先将含有氧化态金属离子盐和该氧化态金属离子的还原剂混合于碱性溶液中并均匀涂覆于基材表面，利用STM扫描隧道显微镜的扫描探针在基材表面进行直写扫描，使氧化态金属离子还原为金属原子并沉淀于基材表面，然后用水冲洗基材表面即可获得原位还原金属纳米结构。

进一步，上述氧化态金属离子盐是AgNO₃，还原剂是CH₃CHO，其中AgNO₃和CH₃CHO的质量比为85∶11，AgNO₃和CH₃CHO混合后溶于氨水中形成浓度为252g/L的混合溶液；所述混合溶液涂覆在基材表面的厚度为100-1000nm；所述STM扫描隧道显微镜的扫描电压为5～40V，电脉冲频率为20HZ～100KHz，扫描探针的速度为0～100nm/s。

或者，上述氧化态金属离子盐是CuSO₄，还原剂是HCHO，其中CuSO₄和HCHO的质量比为8∶3，CuSO₄和HCHO混合后溶于含有络合剂EDTA的NaOH溶液中，形成浓度为280g/L的混合溶液，将该混合溶液涂覆在基材表面，涂覆厚度为100-1000nm；所述STM扫描隧道显微镜的扫描电压为5～40V，电脉冲频率为20HZ～100KHz，扫描探针的速度为0～100nm/s。

或者，本发明的上述氧化态金属离子盐也可以是NiSO₄，还原剂是H₂PO₂，其中NiSO₄和H₂PO₂的质量比为31∶26，将NiSO₄和H₂PO₂混合后溶于含有柠檬酸钠的氨水溶液中，形成浓度为351g/L的混合溶液，将该混合溶液涂覆在基材表面，涂覆厚度为100-1000nm；所述STM扫描隧道显微镜的扫描电压为5～40V，电脉冲频率为20HZ～100KHz，扫描探针的速度为0～100nm/s。

以上所述的基材可以选用Si或石英。

进一步，以上STM扫描隧道显微镜具有多个扫描探针，所述多个扫描探针排成探针阵列同时在基材表面进行直写扫描。

本发明具有以下有益效果：1)、本发明利用金属离子还原反应获得金属原子单质纳米结构，适用金属种类多，可以制造的纳米结构材料具有多样性与可设计性。

2)、本发明通过控制扫描隧道电流焦耳热诱导金属离子的还原反应，可得到点状或连续线状金属纳米结构，纳米制造精度可达到10nm，工艺可控性强，并且由于化学反应发生在基材上，因此探针损耗极小，重复制造精度高。

3)、本发明将金属离子与还原剂置于同一体系，一次涂覆，只需移动探针即可获得金属纳米结构，工艺简单，可连续直写纳米结构，具有较高的制造效率。

4)本发明可以通过调节电压和电脉冲频率得到不同大小的纳米结构，工艺可控性强。并且电压越小、电脉冲频率越大，则得到的纳米结构越小。

附图说明