一种三明治结构复合纳米阵列衬底的制备方法与流程

本发明涉及一种由金银合金纳米单层薄膜、石墨烯和金银合金纳米单层薄膜构成的三明治结构复合纳米阵列衬底的制备方法。

背景技术：

随着纳米技术的迅速发展，贵金属纳米结构的表面等离激元光子学已发展为一门集物理学、化学、生命科学及信息科学等多个科学于一身的交叉学科，并在新能源、材料科学、催化等领域具有非常重要的应用前景。贵金属纳米结构的表面等离激元增强效应取决于材料的种类、尺寸、构型及介质环境等。常见金属纳米材料的制备方法有：物理抛光法、磁控溅射法、离子束刻蚀法、金属溶胶自组装法和化学还原法等，其中金属溶胶自组装法对设备及实验条件的要求都相对较低，于是许多科研人员在油-水界面上自组装微观形貌的金属纳米结构阵列衬底。例如：liu等人首先采用正丁醇和乙醇对金纳米颗粒进行修饰，然后通过自组装法在油-水界面上实现金纳米颗粒单层膜的制备(d.liu,c.li,f.zhou,etal.capillarygradient-inducedself-assemblyofperiodicausphericalnanoparticlearraysonanultralargescaleviaabisolventsystematair/waterinterface[j].adv.mater.interfaces,2017,4(10):1600976)。lu等人采用湿化学法合成金纳米胶体，在丙烯酰胺对其修饰下，借助金属溶胶自组装法，在油-水界面上成膜之后，紫外激光照射，加速有机溶剂挥发，最终获得致密的单层金纳米薄膜(x.lu,y.huang,b.liu,etal.light-controlledshrinkageoflarge-areagoldnanoparticlemonolayerfilmfortunablesersactivity[j].chem.mater,2018,30(6):1989-1997)。尽管这两种方法都能够获得贵金属纳米薄膜，但均需要对金属纳米颗粒进行修饰，且周期长。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种不需要任何修饰，方法简单可控，周期短，重复效率高，且具有较好的致密性和平整度的三明治结构复合纳米阵列衬底的制备方法。

针对上述目的，本发明所采用的技术方案由下述步骤组成：

1、制备金银合金纳米单层薄膜衬底

向金银合金纳米颗粒胶体中加入环己烷后，再缓慢加入无水乙醇，在油-水界面上自组装形成金银合金纳米单层薄膜；然后用注射器缓慢吸取薄膜表面上多余的环己烷，直至薄膜表面恰好完整覆盖一层环己烷溶液，再常温放置20～30min使环己烷挥发完全；最后采用提拉方式用清洗干净的硅片捞取金银合金纳米单层薄膜，待薄膜干燥后将其清洗干净。

2、制备金银合金纳米单层薄膜-石墨烯复合阵列衬底

在铜基底的单层石墨烯表面涂覆含有聚甲基丙烯酸甲酯的苯甲醚溶液，80～100℃干燥0.5～2h；然后将干燥好的单层石墨烯在过硫酸铵水溶液中浸泡3～5h，并用去离子水洗净其表面残液，再将其转移到步骤1制备的金银合金纳米单层薄膜衬底表面上，在40～60℃干燥0.5～2h；最后将干燥好的衬底在丙酮中浸泡15～30min，除去石墨烯表面的聚甲基丙烯酸甲酯，依次用无水乙醇和去离子水清洗，得到金银合金纳米单层薄膜-石墨烯复合阵列衬底。

3、制备三明治结构复合纳米阵列衬底

按照步骤1的方法制备金银合金纳米单层薄膜，并将其转移到步骤2制备的金银合金纳米单层薄膜-石墨烯复合阵列衬底上，待其表面干燥后分别用无水乙醇和去离子水冲洗，得到由金银合金纳米单层薄膜-石墨烯-金银合金纳米单层薄膜组成的三明治结构复合纳米阵列衬底。

上述步骤1中，优选所述金银合金纳米颗粒胶体与环己烷、无水乙醇的体积比为1:(0.3～0.6):(0.6～0.7)。

上述步骤2中，所述含有聚甲基丙烯酸甲酯的苯甲醚溶液中，优选聚甲基丙烯酸甲酯的质量含量为6％～10％。

上述步骤2中，优选所述过硫酸铵水溶液中过硫酸铵的浓度为0.2～0.5mol/l。

本发明的有益效果如下：

本发明在没有任何修饰剂的情况下，首先采用金属溶胶自组装法，在油-水界面上自组装形成金银合金纳米单层薄膜后，借助注射器缓慢吸取膜表面多余的有机溶剂，缩短有机溶剂挥发时间，加速致密的金银合金纳米单层薄膜形成，实现金银合金纳米单层薄膜阵列的组装。然后采用聚合物保护-刻蚀法在金银合金纳米单层薄膜阵列表面上转移单层石墨烯，获得金银合金纳米单层薄膜-石墨烯复合阵列衬底。最后再将金银合金纳米单层薄膜转移到复合衬底的石墨烯上，得到具有三明治结构的金银合金纳米单层薄膜-石墨烯-金银合金纳米单层薄膜复合纳米阵列衬底。本发明制备方法简单可控，制备周期短，重复效率高，且所制备的三明治结构复合纳米阵列衬底具有较好的致密性和平整度。

附图说明

图1是金银合金纳米单层薄膜形成图。

图2是金银合金纳米单层薄膜阵列衬底的sem图。

图3是金银合金纳米单层薄膜-石墨烯复合阵列衬底的sem图。

图4是由金银合金纳米单层薄膜-石墨烯-金银合金纳米单层薄膜组成的三明治结构复合纳米阵列衬底的sem图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。

实施例1

1、制备金银合金纳米单层薄膜衬底

将8ml制备好的金银合金纳米颗粒胶体(根据文献“q.han,c.zhang,w.gao,etal.ag-aualloynanoparticles:synthesisandinsitumonitoringsersofplasmoniccatalysis[j].sensorsandactuatorsb,2016,231:609-614.”制备)倒入烧杯中，加入3ml环己烷，接着缓慢加入5ml无水乙醇，在油-水界面上自组装形成金银合金纳米单层薄膜。为了缩短自组装制备周期，促进形成致密的纳米单层薄膜，使用注射器缓慢吸取薄膜表面多余的环己烷，直至薄膜表面恰好完整覆盖一层环己烷溶液为宜，再常温放置30min使环己烷挥发完全。将单面抛光的硅片分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，取出用氮气吹干，采用提拉方式用清洗干净的硅片捞取形成的金银合金纳米单层薄膜，待其干燥后，依次用无水乙醇、去离子水进行冲洗，得到单层致密的金银合金纳米单层薄膜衬底。

2、制备金银合金纳米单层薄膜-石墨烯复合阵列衬底

借助匀胶机在铜基底的单层石墨烯表面涂覆含有6wt％聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)的苯甲醚溶液，之后将其放在80℃烘箱中干燥1h。将干燥好的单层石墨烯放置在50ml0.2mol/l过硫酸铵水溶液中，浸泡4h后取出，用去离子水洗净其表面残液，然后将其转移到金银合金纳米单层薄膜衬底表面上，放置在60℃烘箱干燥1.5h。最后将干燥好的衬底在丙酮中浸泡30min，除去石墨烯表面pmma，取出后分别用无水乙醇和去离子水清洗，得到金银合金纳米单层薄膜-石墨烯复合阵列衬底。

3、制备三明治结构复合纳米阵列衬底

按照步骤1的方法制备金银合金纳米单层薄膜，并将其转移到步骤2制备好的金银合金纳米单层薄膜-石墨烯复合阵列衬底上，待其表面干燥后分别用无水乙醇和去离子水冲洗，得到由金银合金纳米单层薄膜-石墨烯-金银合金纳米单层薄膜组成的三明治结构复合纳米阵列衬底。

从图1可以看出，通过采用金属溶胶自组装方法，在油-水界面上形成一层均匀且具有较大面积的金银合金纳米单层薄膜。借助日本日立公司生产的hitachis-4800场发射扫描电子显微镜表征，从金银合金纳米单层薄膜阵列衬底的sem照片可以看出(见图2)，尺寸均一的金银合金纳米颗粒自组装形成致密单层的薄膜，且纳米单层薄膜的面积较大。根据金银合金纳米单层薄膜-石墨烯复合阵列衬底的sem照片(见图3)可见，该衬底是由金银合金纳米单层薄膜和单层石墨烯两部分组成的双层薄膜复合阵列结构，而且该衬底表面上的单层石墨烯平整平铺于致密的金银合金纳米单层薄膜上。在此基础上，得到了由金银合金纳米单层薄膜-石墨烯-金银合金纳米单层薄膜组成的三明治结构复合纳米阵列衬底，见图4。