[发明专利]一种提高金属纳米环结构可控出光效率的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种提高金属纳米环结构可控出光效率的方法。 

背景技术

自 1998年 Ebbesen等人先后发现透过金属纳米孔结构及其阵列具有增强透射现象以来，表面等离子体( Surface polaritonss，SPs) 及其应用成为近年来光学领域的研究热点之一, 表面等离子体 (SPs)是由入射光激发金属表面自由电子集体振荡而产生的一种表面波，而入射光光子与纳米金属结构中的自由电子耦合匹配，形成表面等离子体共振( Surface plasmon resonance，SPR ) 和局域表面等离子体共振 ( Localized surface plasmon resonance，LSPR )。因此周期性金属纳米结构阵列具有许多传统材料无法媲美的独特的光学与电学性质, 其在应用纳米光学、材料科学及生医等领域具有广泛的应用前景。 

纳米金属颗粒的光学和电学性质与表面等离子体共振(SPR )性质密切相关，而表面等离子体共振(SPR )性质又与颗粒的尺寸形状、周围的介电环境、颗粒成分以及颗粒间距有关， 因此通过改变金属微观纳米结构来实现调控, 基于纳米金属结构的表面等离子体共振(SPR )效应所发展起来的表面增强荧光技术及表面增强拉曼散射技术已被应用于许多领域, 如太阳能电池, LSP增强型发光二极管, 单分子检测和DNA无损检测等。 

Ebbesen等人也研究比较了具有孔洞结构的Cr、Au和Ag薄膜的透射效率，发现由于入射光和微观纳米孔洞结构的表面等离子体共振效应的影响，Cr孔洞薄膜的透射光谱比Au和Ag薄膜中所观察到的更为显着广泛，且每单位面积的孔数量与其穿透强度大致呈线性变化。 

因此，通过合适的方法制备尺寸精度精确可控的纳米金属阵列环状结构，并将其应用于发光器件中，是目前急需解决的一个问题。 

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种提高金属纳米环结构可控出光效率的方法，该方法将纳米球旋布技术和刻蚀技术相结合，在玻璃片上制备出尺寸精度精确可控的阵列环状结构。 

本发明通过以下技术方案实现：一种提高金属纳米环结构可控出光效率的方法，该方法包括以下步骤：（1）通过旋转涂布法制备周期性排列聚苯乙烯纳米球的单层模板；（2）反应性离子刻蚀，获得刻蚀后的单层模板；（3）通过定向性闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统对步骤（2）中的刻蚀后的单层模板进行溅射沉积；（4）通过湿刻蚀方法除去聚苯乙烯纳米球，获得具有金属纳米环结构的单层模板；（5）将步骤（4）中获得的单层模板用于发光器件中，其特征在于，所述反应性离子刻蚀分两次进行，其中第一次刻蚀功率为50w~60w，时间为5分钟~7分钟；所述第二次刻蚀功率为30w~40w，时间为4分钟~12分钟；所用的刻蚀气体为氧气。 

反应性离子刻蚀能对步骤（1）中单层模板上的聚苯乙烯纳米球进行刻蚀，分两次刻蚀能保证刻蚀后的纳米球的直径具有较小的差异度。改变刻蚀功率与刻蚀时间，能获得具有不同刻蚀程度的纳米球的模板。 

作为优选，所述步骤（1）中旋转涂布机的转速为300 rpm~1200 rpm，转动时间4分钟。 

旋转涂布机的转速不同，能获得具有不同粒径的聚苯乙烯纳米球的单层模板，如转速为300 rpm，时间为4分钟，可获得直径为960 nm周期性排列聚苯乙烯(PS) 纳米球的单层模板；转速为1200rpm，时间为4分钟，可获得直径为540 nm周期性排列聚苯乙烯(PS) 纳米球的单层模板。 

作为优选，所述步骤（3）中溅射靶材是Cr金属，模板和靶之间的距离为150 mm，溅射腔体的基础压力抽至1.5×10^-5 torr，基板偏压为-70V，Cr靶电流1A，生长速率为0.13纳米/秒。 

该步骤通过溅射将Cr金属沉积在聚苯乙烯纳米球之间的空隙中，获得具有金属Cr-聚苯乙烯纳米球包裹结构的单层模板，同时该工艺条件能保证Cr金属具有很好的沉积效果。 

作为优选，所述步骤（4）湿刻蚀方法分三次进行，其中第一次刻蚀液体为二氯甲烷，第二次刻蚀液体为丙酮，第三次刻蚀液体为乙醇，每次刻蚀时间为10分钟。选用三种水溶性从小到大的有机溶液，进行刻蚀，能很好的除去聚苯乙烯纳米球，留下金属Cr的纳米换结构。 

作为优选，所述步骤（5）中制作发光器件时所用的发光层材料为三(8-羟基喹啉)铝。 

作为优选，所述高分子纳米球所用材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一种。