一种基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法及装置与流程

本发明涉及固态纳米孔阵列加工领域，尤其涉及一种基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法及装置。

背景技术：

随着纳米科学技术的发展，纳米孔传感器在基因测序、能量转换等领域的应用取得了重大进步。固态纳米孔因其性能稳定，可控的几何形态和优异的鲁棒性等优点吸引了诸多研究者的兴趣。目前在单个纳米孔加工领域已经较为成熟，但对于满足如基因测序商业化应用的纳米孔阵列还存在不少挑战，如加工成本高，效率低以及可控性差等。因此，亟需提出新方法来精确地加工出高质量的固态纳米孔阵列，以加快固态纳米孔阵列加工技术的产业化步伐。

针对如何精确地加工出高质量固态纳米孔阵列，目前主流方法包括：一、电子束和离子束加工。通过电子束和离子束的能量来加工纳米孔，但是，这种方法存在一个最大的问题——成本高且效率低，无法加工出高质量的纳米孔阵列。二、阳极氧化铝掩膜板加工。通过在基底上转移一层目标氧化铝掩膜，再根据掩膜板加工出纳米孔阵列，但是，这种方法存在一个缺点——孔径和孔间距受限于氧化铝模板，而孔径小的氧化铝掩膜板制造难度随孔径减小而增大，否则无法加工出理想的纳米孔阵列。三、金属辅助化学刻蚀加工。中国专利cn102732885a提出了一种磁场辅助微纳加工工艺，通过光刻工艺转移所需图案，再镀上用于催化的金属，添加刻蚀液，置于磁场强度和方向可调的磁场环境中进行刻蚀，因为引入磁场所以导致应用空间极为受限。中国专利cn103342337b公开了基于金属纳米颗粒辅助刻蚀法制备介孔硅纳米线的方法，通过在硅基底表面自组装一层用于催化的纳米颗粒阵列，再配制合适的刻蚀液加工出纳米孔阵列。该方法可以简单、成本低批量地加工出高质量纳米孔阵列，但是，该方法依赖于金纳米颗粒的自组装这一空间排布过程，且对金纳米颗粒阵列的均匀一致性要求极高。

众所周知，在微观尺度上对纳米颗粒进行操控的过程中，纳米颗粒与衬底之间的范德华力是不可忽视的。为此，亟需提出一种新方法，以克服金纳米颗粒自组装时范德华力的限制，准确地加工出定制化的金纳米颗粒阵列，再通过金属辅助化学刻蚀高效地加工出高质量的纳米孔阵列。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法及装置，以克服金纳米颗粒自组装时范德华力的限制，并结合实时显示反馈，在指定位置准确地加工出定制化的金纳米颗粒阵列，并且通过金属辅助化学刻蚀高效地加工出高质量的硅纳米孔阵列，克服现有纳米孔阵列的刻蚀技术的所需工艺实验工作量大、孔位调整难度大等缺点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法，包括以下步骤：

步骤(1)，在清洗好的硅片的上表面旋涂一层十六烷基三甲基氯化铵层；

步骤(2)，在完成步骤(1)的硅片的上表面自组装一层金纳米颗粒，在硅片的上形成无序金纳米颗粒阵列；

步骤(3)，通过多光束振镜分散出阵列激光束，所述阵列激光束将步骤(2)的无序金纳米颗粒阵列中的金纳米颗粒分散开来；

步骤(4)，通过单束激光束对各个金纳米颗粒进行光学操纵以使各个金纳米颗粒移动至对应的目标位置上，并利用金纳米颗粒的光散射特性，定位跟踪进行光学操纵中的金纳米颗粒，在硅片上形成符合设计目标的有序金纳米颗粒阵列；

步骤(5)：将完成步骤(4)的硅片浸泡在去离子水中，去除十六烷基三甲基氯化铵层，得到直接组装在硅片上的定制化的有序金纳米颗粒阵列；

步骤(6)：对完成步骤(5)的硅片进行刻蚀，在硅片上形成硅纳米孔阵列。

优选地，所述基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法的实时加工反馈装置，所述实时加工反馈装置应用于步骤(4)，包括上位机、运动控制卡、精密运动平台、光学系统和操作平台，所述上位机通过运动控制卡驱动精密运动平台运动，所述光学系统搭载在所述精密运动平台上，所述操作平台设有固定所述硅片的夹具，所述光学系统设置于所述操作平台的上方。

优选地，所述光学系统中的光学成像器件包括激光器、滤波片、分束器、聚焦镜和高清摄像头，激光器发出的激光依次通过分束器和聚焦镜形成所述单束激光束，所述聚焦镜的激光出射端朝向所述操作平台，金纳米颗粒所发散的散射光依次通过聚焦镜、分束器、滤波片、和高清摄像头后在上位机中成像。

所述基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法克服金纳米颗粒自组装时范德华力的限制，并结合实时显示反馈，在指定位置准确地加工出定制化的金纳米颗粒阵列，并且通过金属辅助化学刻蚀高效地加工出高质量的硅纳米孔阵列，克服现有纳米孔阵列的刻蚀技术的所需工艺实验工作量大、孔位调整难度大等缺点，具有广阔的应用前景。

所述基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法的实时加工反馈装置，在上位机上设置目标位置，上位机可为计算机，上位机通过运动控制卡驱动精密运动平台运动，从而通过单束激光束的移动来操纵金纳米颗粒；结合光学系统实时显示并定位跟踪金纳米颗粒，利用激光散射力对金纳米颗粒具有推动作用，操纵单束激光束可以将金纳米颗粒操控到目标位置，得到定制化的有序金纳米颗粒阵列。

附图说明

附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明其中一个实施例的呈现步骤(1)的示意图；

图2是本发明其中一个实施例的呈现步骤(2)的示意图；

图3是本发明其中一个实施例的呈现步骤(3)的示意图；

图4是本发明其中一个实施例的步骤(3)完成后的硅片结构示意图；

图5是本发明其中一个实施例的呈现步骤(4)的示意图；

图6是本发明其中一个实施例的步骤(4)完成后的硅片结构示意图；

图7是本发明其中一个实施例的步骤(5)完成后的硅片结构示意图；

图8是本发明其中一个实施例的步骤(6)完成后的硅片结构示意图；

图9是本发明其中一个实施例的装置模块关系示意图。

其中：硅片101；十六烷基三甲基氯化铵层201；金纳米颗粒301；多光束振镜202；阵列激光束412；单束激光束401；硅纳米孔阵列801；上位机403；光学系统411；激光器402；滤波片409；分束器408；聚焦镜407；高清摄像头410；夹具406；无序金纳米颗粒阵列404；有序金纳米颗粒阵列405。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例的基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法，包括以下步骤：

步骤(1)，如图1所示，在清洗好的硅片101的上表面旋涂一层十六烷基三甲基氯化铵层201；

步骤(2)，如图2所示，在完成步骤(1)的硅片101的上表面自组装一层金纳米颗粒301，在硅片101的上形成无序金纳米颗粒阵列404；

步骤(3)，如图3所示，通过多光束振镜202分散出阵列激光束412，所述阵列激光束412将步骤(2)的无序金纳米颗粒阵列404中的金纳米颗粒301分散开来，如图4所示；

步骤(4)，如图5所示，通过单束激光束401对各个金纳米颗粒301进行光学操纵以使各个金纳米颗粒301移动至对应的目标位置上，并利用金纳米颗粒301的光散射特性，定位跟踪进行光学操纵中的金纳米颗粒301，在硅片101上形成符合设计目标的有序金纳米颗粒阵列405，如图6所示；

步骤(5)：将完成步骤(4)的硅片101浸泡在去离子水中，去除十六烷基三甲基氯化铵层201，得到直接组装在硅片101上的定制化的有序金纳米颗粒阵列405，如图7所示；

步骤(6)：如图8所示，对完成步骤(5)的硅片101进行刻蚀，在硅片101上形成硅纳米孔阵列801。

所述基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法采用光学纳米操纵的方法，对涂敷有十六烷基三甲基氯化铵层201的硅片101的上表面的金纳米颗粒301(纳米级或微米级)的自组装过程进行精确操控。在金纳米颗粒301与硅片101(作为基底)之间引入一层薄的十六烷基三甲基氯化铵层201作为表面活性剂层，在没有被光学加热的情况下，十六烷基三甲基氯化铵层201是一层固态薄膜，在范德华力的作用下，金纳米颗粒301会牢牢地粘附在表面活性层上，单束激光束401对准金纳米颗粒301时，该光照区域因为十六烷基三甲基氯化铵层201的光热效应而被加热，十六烷基三甲基氯化铵层201由固相转化为准液相，范德华力被大大降低，金纳米颗粒301与十六烷基三甲基氯化铵层201之间的摩擦力大大降低，利用单束激光束401的光散射力充当作用在金纳米颗粒301的推动力(该力线方向由金纳米颗粒301的几何中心指向远离单束激光束401的一侧)，从而推动金纳米颗粒301按照单束激光束401的既定移动轨迹而移动。同时，利用金纳米颗粒301的光散射特性，在上位机403上设置目标位置，结合高清摄像头410实时显示并定位跟踪金纳米颗粒301，从而通过单束激光束401将金纳米颗粒301操纵到任何的目标位置，得到符合设计目标的有序金纳米颗粒阵列405；并通过金属辅助化学刻蚀加工出高质量的硅纳米孔阵列801。

所述基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法克服金纳米颗粒301自组装时范德华力的限制，并结合实时显示反馈，在指定位置准确地加工出定制化的金纳米颗粒阵列，并且通过金属辅助化学刻蚀高效地加工出高质量的硅纳米孔阵列801，克服现有纳米孔阵列的刻蚀技术的所需工艺实验工作量大、孔位调整难度大等缺点，具有广阔的应用前景。

因为十六烷基三甲基氯化铵层201的存在，金纳米颗粒301受到较强范德华力的作用，为了提高分散效率，先利用阵列激光束412对无序金纳米颗粒阵列404中的金纳米颗粒301进行分散，再用单束激光束401对各个金纳米颗粒301进行精确操控，加工更为高效。

所述步骤(5)中将完成步骤(4)的硅片101浸泡在去离子水中3-5min，即可轻松去除十六烷基三甲基氯化铵层201而不会破坏金纳米颗粒301组成的图案，从而得到直接组装在硅片101上的定制化的有序金纳米颗粒阵列405。

优选地，所述步骤(1)具体包括：

步骤(1.1)，分别用无水乙醇和去离子水对所述硅片101进行超声波清洗3-5min，然后用氮气吹干所述硅片101；

步骤(1.2)，用移液枪取0.01ml的浓度为0.5mol/l的十六烷基三甲基氯化铵溶液滴于所述硅片101的上表面，然后用匀胶机进行旋涂，从而在硅片101的上表面形成十六烷基三甲基氯化铵层201，匀胶机的旋涂速度为：500-3000rpm，旋涂时间为3-5min。通过旋涂使硅片101的上表面溶剂蒸发。

优选地，所述步骤(2)具体包括：

步骤(2.1)，用移液枪取0.005ml的浓度为0.3mol/l的金纳米颗粒溶液，并用匀胶机旋涂在完成步骤(1)的硅片101上，匀胶机以300-500rpm的速度旋涂旋转9s；

步骤(2.2)，匀胶机以3000-5000rpm的速度旋涂30s，在硅片101的上形成无序金纳米颗粒阵列404。

优选地，根据所需要的纳米孔尺寸和形状的不同，所述步骤(2)中的金纳米颗粒301的直径可以选择在40nm到微米级别，金纳米颗粒301形状也可以任意选择，比如圆形、正方形等，亦可以选择其它具有催化性的颗粒，如铂纳米颗粒等。

优选地，所述步骤(4)的单束激光束401的波长为532nm，所述单束激光束401的功率为0.1–3mw/μm²。

十六烷基三甲基氯化铵层201在室温下呈现晶体相，金纳米颗粒301与其通过范德华力结合，当单束激光束401以上述功率入射时，最高温度超过226℃，十六烷基三甲基氯化铵层201的局部温度超过126℃，这一高于十六烷基三甲基氯化铵层201在70-96℃时会发生相变的温度，利用这一光热效应，局部的十六烷基三甲基氯化铵层201在此高温下由晶体转变为准液相，从而有效降低金纳米颗粒301与十六烷基三甲基氯化铵层201间的范德华相互作用力。单束激光束401的波长、功率和照射时间可以根据不同大小的金纳米颗粒301而改变。

优选地，所述步骤(6)中刻蚀用到的刻蚀液为氢氟酸和双氧水的混合溶液，其配比为氢氟酸：双氧水＝x:y，5ml≤x≤10ml，1ml≤y≤5ml。

优选地，所述步骤(6)中的刻蚀具体为用滴管向完成步骤(5)的硅片101滴刻蚀液至硅片101的上表面铺满刻蚀液，在室温条件下，刻蚀5-10min；

然后用去离子水冲洗硅片1013-5次，并用氮气吹干硅片101，在硅片101上形成硅纳米孔阵列801。刻蚀5-10min后硅片101上的纳米孔的孔深可以达到500nm-1μm，纳米孔的孔径和孔形分别与金纳米颗粒301的直径和形状相关。用用去离子水冲洗硅片101表面3-5次，中止刻蚀反应，并用氮气吹干硅片101，可借助场发射扫描电镜进行形貌观测，在硅片101上形成硅纳米孔阵列801。

优选地，如图9所示，所述的基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法的实时加工反馈装置，所述实时加工反馈装置应用于步骤(4)，包括上位机403、运动控制卡、精密运动平台、光学系统411和操作平台，所述上位机403通过运动控制卡驱动精密运动平台运动，所述光学系统411搭载在所述精密运动平台上，所述操作平台设有固定所述硅片101的夹具406，所述光学系统411设置于所述操作平台的上方。

所述基于光学操控的纳米孔阵列的可控加工方法的实时加工反馈装置，在上位机403上设置目标位置，上位机403可为计算机，上位机403通过运动控制卡驱动精密运动平台运动，从而通过单束激光束401的移动来操纵金纳米颗粒301；结合光学系统411实时显示并定位跟踪金纳米颗粒301，利用激光散射力对金纳米颗粒301具有推动作用，操纵单束激光束401以将金纳米颗粒301操控到目标位置，得到定制化的有序金纳米颗粒阵列405。

优选地，所述光学系统411中的光学成像器件包括激光器402、滤波片409、分束器408、聚焦镜407和高清摄像头410，激光器402发出的激光依次通过分束器408和聚焦镜407形成所述单束激光束401，所述聚焦镜407的激光出射端朝向所述操作平台，金纳米颗粒301所发散的散射光依次通过聚焦镜407、分束器408、滤波片409、和高清摄像头410后在上位机403中成像。

操纵过程通过高清摄像头410(即ccd)实时反馈至上位机403进行显示，逐个操纵金纳米颗粒301以达到目标阵列的需求。在所述光学系统411中，激光器402发出激光通过分束器408、聚焦镜407，形成用于操纵金纳米颗粒301的单束激光束401，之后金纳米颗粒301所发散的散射光依次通过聚焦镜407、分束器408、滤波片409和高清摄像头410，在上位机403中成像，实现对金纳米颗粒301的实时显示和操控。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。