[发明专利]一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法

说明书

本发明公开了一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法。该方法包括如下步骤：先在基板上利用重力自组装形成均匀纳米球阵列，根据实际所需反射或透射波长，进一步通过干法刻蚀调节阵列中纳米球的尺寸，然后将纳米球阵列浸入金属氧化物溶胶中，以纳米球为内核，在每个纳米球外壳形成高折射率金属氧化物包覆层，所形成的全介质纳米球颗粒具有显著的米氏共振特性。本发明可通过调节阵列中纳米球的尺寸、间距、排列方式、金属氧化物包覆层厚度及不同的结晶相影响电磁共振，获得不同反射及透射波长。制备的纳米球颗粒具有反射率高，稳定性好，成本低的优点，可大规模制备，有望应用于照明显示、光探测、激光、太阳能电池、发光二极管等领域。

技术领域

本发明涉及一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，属于光电子材料制备领域。

背景技术

自然界中看到的许多颜色，通常源自于物体表面的纳米尺度结构以特定方式对光进行反射。受此启发，纳米人工结构在过去十多年获得广泛关注。全介质超材料由于低损耗、特殊的光子模式和良好的兼容性已成为纳米光子学领域一个热门的研究课题。电子束光刻与反应离子刻蚀技术相结合是制备全介质超材料最广泛的方法，近90％的报告均使用这种方法制造，具有精度高、可靠性高、重复性好等诸多优点。

但是，它仍然存在着制作面积有限、成本昂贵、复杂耗时等缺点。并且，传统高折射率材料如硅、砷化镓等在可见光波段均有强烈的材料损耗，透明材料的折射率非常低难以与CMOS技术兼容。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法，采用该方法制备的纳米球颗粒具有反射率高，成本低，稳定性好的优点，可大规模制备。

技术方案：本发明的一种高折射率全介质纳米球颗粒的制备方法如下：先在基板上利用重力自组装形成均匀纳米球阵列，根据实际所需反射或透射波长，进一步通过干法刻蚀调节阵列中纳米球的尺寸，然后将纳米球阵列浸入金属氧化物溶胶中，以纳米球为内核，在每个纳米球外壳形成高折射率金属氧化物包覆层，所形成的全介质纳米球颗粒具有显著的米氏共振特性。

所述的高折射率全介质纳米球在基板上可以是六方排列、四方排列、串珠状排列中的任意一种。

所述纳米球选自聚苯乙烯微球(PS球)、二氧化硅(SiO₂球)中的任意一种。

所述金属氧化物选自TiO₂、ZrO₂、ZnO₂、Cu₂O、Al₂O₃、CeO₂、MgO中的任意一种。

所述通过干法刻蚀调节阵列中纳米球的尺寸，具体为使用不同尺寸纳米球调节球心间距；或提高干法刻蚀功率，增加刻蚀时间调节阵列中纳米球的尺寸；或增加纳米球阵列浸入溶胶次数，改变溶胶浓度调节金属氧化物包覆层厚度；或提高温度改变金属氧化物包覆层结晶相，以上方法均可影响电磁共振，获得不同反射及透射波长。

所述纳米球可附着于玻璃或硅基底；或附着于柔性基底，通过拉伸弯曲改变纳米球排列方式进而影响电磁共振。

所述的纳米球为PS球，采用氧气作为刻蚀气体；SiO₂球采用碳氟类气体或者碳氟氢类气体或者两种气体的组合作为刻蚀气体。

有益效果：本发明制备的纳米球颗粒均为核壳结构，支持显著的米氏共振，具有反射率高，成本低的优点，可大规模制备，通过调节阵列中纳米球的尺寸、间距、排列方式、金属氧化物包覆层厚度及不同的结晶相可影响电磁共振，获得不同反射及透射波长。本发明方法制得的纳米球稳定性优异，可应用于照明显示、光探测器、激光、太阳能电池、发光二极管等领域。

附图说明

图1为实施案例1中利用重力自组装形成均匀PS球阵列的扫描电子显微镜照片。