金属纳米线的制备方法与流程

本发明属于微纳光学领域，尤其涉及一种金属纳米线的制备方法。

背景技术：

由于当今半导体电子器件在其技术发展过程中遇到了制程上的物理极限所导致的瓶颈，光子学器件凭借其在速度和热耗散上所具有的优势而成为半导体电子器件的潜在替代品。基于表面等离激元(surfaceplasmons,sps)的金属纳米线波导由于具有突破衍射极限在纳米尺度传输光信号的特点而成为构建集成化的光信息处理器的基本单元之一。由金属纳米线组成的表面等离激元波导网络结构，可实现分光器、光逻辑器件等功能，因而对其加工方法的研究具有重大意义。金属纳米线的大规模高可控性加工通常采用微纳加工方法，在制备金属纳米线时衬底上通常会施加一层粘附层用于固定金属纳米线。但是，粘附层的存在会导致较高的表面等离激元传播损耗，这大大降低了金属纳米线的表面等离激元传播效率，由此限制了金属纳米线的应用前景。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种金属纳米线的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：采用微纳加工方法制备金属纳米线；

步骤二：对所述金属纳米线进行高温处理，高温处理的温度范围为200℃～1200℃，

其中，在所述步骤二的同时或者所述步骤二之后，在所述金属纳米线上制备覆盖介质层。

根据本发明的金属纳米线的制备方法，优选地，所述金属为金、银、铝、铂、铜中的一种或多种。

根据本发明的金属纳米线的制备方法，优选地，所述步骤一包括如下子步骤：

子步骤1：在衬底上旋涂光刻胶；

子步骤2：在所述光刻胶上制备预设的纳米线结构；

子步骤3：在子步骤2所得到的样品上制备一层金属；以及

子步骤4：将子步骤3所得到的样品中的光刻胶以及光刻胶上的金属去除。

根据本发明的金属纳米线的制备方法，优选地，所述子步骤2采用电子束曝光或紫外曝光的方法。

根据本发明的金属纳米线的制备方法，优选地，在所述子步骤1中，所述衬底为石英衬底；以及在所述子步骤2中，首先在所述光刻胶上沉积一层金属铬，然后采用电子束曝光的方法在光刻胶上制备预设的纳米线结构。

根据本发明的金属纳米线的制备方法，优选地，所述步骤一包括如下子步骤：

子步骤1：在衬底上制备金属膜；以及

子步骤2：利用聚焦离子束加工方法在所述金属膜上制备所述金属纳米线。

根据本发明的金属纳米线的制备方法，优选地，衬底为石英、ito(氧化铟锡)导电玻璃、硅上氧化硅、氮化硅、氟化镁、氧化钛、玻璃、碳化硅或硅。

根据本发明的金属纳米线的制备方法，优选地，所述覆盖介质层为氧化铝层、氧化铪层、氧化硅层、氮化硅层、氟化镁层或高分子聚合物层。

另一方面，本发明还提供了一种金属纳米线，其采用根据本发明的金属纳米线的制备方法制备。

又一方面，本发明提供一种金属纳米线波导网络结构，其包括根据本发明的金属纳米线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：所制备的金属纳米线表面等离激元传播效率高，易于固定和保存。

本发明人通过理论和实验研究发现，在本发明中，对于微纳加工方法制备的多晶金属纳米线，进行高温处理会改善金属纳米线样品的表面形貌和晶界结构，从而降低金属纳米线中传播的表面等离激元的散射损耗，提升表面等离激元的传播效率，覆盖介质层替代了高损耗的粘附层，将结构固定在衬底上的同时对结构起保护作用。

附图说明

图1为根据本发明第一比较例的金纳米线的制备工艺示意图；

图2为根据本发明第一实施例的金纳米线的制备工艺示意图；

图3为基于第一比较例和第一实施例的两种不同体系的金纳米线样品的表面等离激元传播的比较；

图4为根据本发明第二实施例的铂纳米线的制备工艺示意图；

图5为根据本发明的金纳米线波导网络结构的光学图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一比较例

该第一比较例提供一种现有技术的金纳米线的制备方法，参见图1所示的现有技术的金纳米线的制备工艺示意图，其包括如下步骤：

步骤一：如图1所示，在清洗过的石英衬底3上旋涂pmma光刻胶2，pmma光刻胶的厚度为230nm；

步骤二：采用热蒸发真空镀膜的方法在pmma光刻胶上沉积一层金属铬(cr)，金属铬层1的厚度为4nm，其作为导电层，目的在于在后续的电子束曝光过程中将多余的电子导走，这是对石英这种绝缘衬底导电性差所做的弥补措施，因此并非必需的，如图1的(a)所示；

步骤三：采用电子束曝光的方法将预设的纳米线结构曝光在pmma光刻胶上，然后采用湿法腐蚀将金属铬层去除，对样品显影和定影，得到带有纳米线图案的样品，如图1的(b)所示；

步骤四：采用热蒸发真空镀膜的方法在步骤三所得的样品上沉积一层铬(cr)和金(au)，厚度分别为5nm和150nm；

步骤五：将步骤四所得到的样品放入丙酮溶液中加热，温度为65℃，去除光刻胶以及光刻胶表面的金属，然后用乙醇和去离子水清洗，得到石英衬底上的带有铬粘附层5的金纳米线4，如图1的(c)所示。

对于该比较例所制备的金纳米线，发明人采用波长800nm的激发光测试了金纳米线样品中表面等离激元在出射端头的出射光强度随金纳米线的长度的变化，结果如图3所示的曲线1。

第一实施例

该第一实施例提供一种本发明的金纳米线的制备方法，该制备方法在前述第一比较例的基础上增加了高温沉积氧化铝覆盖层的步骤，并去除了铬粘附层，参见图2所示的制备工艺示意图，具体地包括如下步骤：

步骤一：如图2所示，在清洗过的石英衬底3上旋涂pmma光刻胶2，pmma光刻胶的厚度为230nm；

步骤二：采用热蒸发真空镀膜的方法在pmma光刻胶上沉积一层金属铬(cr)，金属铬层1的厚度为4nm，其作为导电层，目的在于在后续的电子束曝光过程中将多余的电子导走，这是对石英这种绝缘衬底导电性差所做的弥补措施，因此并非必需的，如图2的(a)所示；

步骤三：采用电子束曝光的方法将预设的纳米线结构曝光在pmma光刻胶上，然后采用湿法腐蚀将金属铬层去除，对样品显影和定影，得到带有纳米线图案的样品，如图2的(b)所示；

步骤四：采用热蒸发真空镀膜的方法在步骤三所得的样品上沉积一层金(au)，厚度为150nm；

步骤五：将步骤四所得到的样品放入丙酮溶液中加热，温度为65℃，去除光刻胶以及光刻胶表面的金膜，然后用乙醇和去离子水清洗，得到石英衬底上的金纳米线4，如图2的(c)所示；

步骤六：在200℃的原子层沉积设备腔室内对步骤五所得到的样品进行氧化铝(al2o3)覆盖层沉积，氧化铝层5的厚度为10nm，处理时间约为30分钟，如图2的(d)所示。

发明人同样采用波长800nm的激发光测试该第一实施例制备的金纳米线样品中表面等离激元在出射端头的出射光强度随金纳米线的长度的变化，参见图3的曲线2。将图3的曲线1和2进行比较可以看出，本发明的方法制备的金纳米线的表面等离激元传播效率远高于现有技术制备的金纳米线的传播效率。

第二实施例

该第二实施例提供一种铂纳米线的制备方法，参见图4所示的根据本发明第二实施例的铂纳米线的制备工艺示意图，其包括如下步骤：

步骤一：在清洗过的硅上氧化硅(氧化硅的厚度为500nm)衬底2上沉积一层铂1，厚度为100nm。如图4的(a)所示。

步骤二：利用聚焦离子束加工的方法在金属膜上刻蚀加工预设的纳米线结构，得到硅上氧化硅衬底上的铂纳米线3，如图4的(b)所示。

步骤三：在1200℃的腔室内对步骤二得到的样品进行高温处理，处理时间约为30分钟，然后用等离子体增强化学气相沉积的方法生长10nm氧化硅层4，如图4的(c)所示。

根据本发明制备的金属纳米线表面等离激元传播效率高，易于固定和保存，因此，可以将这种金属纳米线作为基本单元组成金属纳米线波导网络结构。具体地，将本发明制备的金属纳米线彼此连接构成金属纳米线网络，如图5所示的石英衬底上金纳米线网络结构的光学图像，本发明的金属纳米线网络结构并不限于此。

根据本发明的其他实施例，制备的金属纳米线为银纳米线、铝纳米线、铜纳米线等本领域公知的金属纳米线。

根据本发明的其他实施例，所采用的衬底为ito(氧化铟锡)导电玻璃、氮化硅、氟化镁、氧化钛、玻璃、碳化硅或硅等。

根据本发明的其他实施例，金属纳米线上的覆盖层采用氧化铪、氮化硅、氟化镁或高分子聚合物，厚度范围从原子层级到微米级。制备覆盖层的方法不限于原子层沉积和化学气相沉积，还可以采用磁控溅射以及直接旋涂等方法。

根据本发明的其他实施例，曝光方法不限于电子束曝光，还可以采用紫外曝光等方法。金属结构的加工方法不限于曝光结合图形转移的方法，还可以利用本领域公知的任意微纳加工方法。

本领域技术人员应当理解，如果不采用电子束曝光，或者衬底为硅、硅上氧化硅或ito玻璃等导电性良好的衬底，那么就不需要额外地制备金属导电层。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所做出的各种改变以及变化。