本發(fā)明屬于微納結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，涉及一種納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
1、近年來，表面等離激元共振效應(yīng)（surface?plasmon?resonance,?spr）因其獨(dú)特的光與物質(zhì)相互作用特性，在提升光催化能量轉(zhuǎn)化效率方面展現(xiàn)出巨大潛力，從而備受關(guān)注。spr現(xiàn)象發(fā)生在金屬（如金、銀、銅、鋁等）表面，其價(jià)電子在外部場(chǎng)（例如光照）作用下發(fā)生集體振蕩。通過調(diào)整金屬納米粒子的尺寸、成分和形態(tài)，可以精確調(diào)控其在可見至近紅外區(qū)域的吸光性能，進(jìn)而有望拓寬光捕獲范圍。2004年，stockman提出了納米聚焦的概念，這是表面等離激元的一個(gè)重要特性。它描述的是表面等離激元沿錐形金屬納米結(jié)構(gòu)傳播時(shí)，能量高度集中于錐形尖端的現(xiàn)象。這種納米聚焦效應(yīng)使得在納米結(jié)構(gòu)尖端形成遠(yuǎn)程激發(fā)和傳播的電磁場(chǎng)“熱點(diǎn)”成為可能，且焦點(diǎn)尺寸可突破納米尺度，近年來在國(guó)際上掀起了一股研究熱潮。在增強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用方面，當(dāng)spps沿著錐形納米結(jié)構(gòu)傳播時(shí)，能量會(huì)在尖端高度匯聚，形成電磁場(chǎng)的“熱點(diǎn)”。這種聚焦效應(yīng)不僅具有突破納米尺度的精度，還能夠在遠(yuǎn)程激發(fā)和傳播過程中保持高強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，為分子層面的高靈敏檢測(cè)提供了可能。在光譜掃描探測(cè)領(lǐng)域，納米針尖陣列作為探針，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)分子的遠(yuǎn)程激發(fā)和精確光譜分析，極大地提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度。
2、納米針尖開口環(huán)結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)光學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其環(huán)形結(jié)構(gòu)能夠有效局域和增強(qiáng)電磁場(chǎng)，形成高度集中的近場(chǎng)熱點(diǎn)，為高靈敏度傳感和超分辨成像提供了理想平臺(tái)。利用納米針尖開口環(huán)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)分子或納米顆粒的超靈敏檢測(cè)，為表面增強(qiáng)拉曼光譜（sers）和熒光增強(qiáng)等技術(shù)的突破性進(jìn)展提供了新的可能。
3、與傳統(tǒng)的納米天線結(jié)構(gòu)相比，納米針尖開口環(huán)具有更優(yōu)異的場(chǎng)增強(qiáng)特性和更靈活的光場(chǎng)調(diào)控能力，特別適合于非線性光學(xué)和量子光學(xué)研究。然而，目前納米針尖開口環(huán)的精確制備仍面臨重大挑戰(zhàn)，其復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)要求極高的加工精度，且大規(guī)模制備的均勻性和一致性難以保證，這些問題嚴(yán)重制約了其在工業(yè)級(jí)應(yīng)用中的推廣。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法。該方法旨在獲得尺寸更小、聚焦效應(yīng)和場(chǎng)增強(qiáng)效果更顯著的納米針尖結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供一種步驟簡(jiǎn)單、操作空間大、制備周期短且成本低廉的制備工藝。通過該方法制得的納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列具有大面積可控構(gòu)筑、均勻性好、有序度高、可重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并展現(xiàn)出優(yōu)異的局域表面等離激元共振性能和增大的比表面積特性。
2、在制備過程中，通過在硅片上沉積鋁（al）反射層，有效減少了光學(xué)損耗。由于鋁與硅的晶格匹配度高，其在硅片上的黏附性優(yōu)異，使得后續(xù)機(jī)械剝離聚苯乙烯（ps）球時(shí)開口環(huán)結(jié)構(gòu)不易脫落。同時(shí)，利用二氧化硅（sio2）介電常數(shù)小、透明度高的特性，將其作為結(jié)構(gòu)支撐層，進(jìn)一步提升了納米針尖開口環(huán)陣列的光學(xué)性能。此外，采用六氟化硫（sf6）氣體對(duì)sio2支撐層進(jìn)行各向異性刻蝕，使納米針尖開口環(huán)形成半懸浮態(tài)，顯著降低了介電損耗，從而進(jìn)一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
3、一種納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法，包括以下步驟：
4、s1在硅片上沉積al作為反射層，再沉積sio2作為支撐層，然后在支撐層上自組裝納米球作為掩模板；
5、s2通過反應(yīng)離子刻蝕使納米球體積減小，在硅片表面得到體積減小的納米球掩模板；
6、s3將帶有納米球掩模板表面的硅片置于傾斜一定角度α的磁控濺射樣品臺(tái)上，沉積貴金屬;
7、s4將帶有納米球掩模板表面的硅片在樣品臺(tái)上旋轉(zhuǎn)一定角度γ后，重復(fù)步驟s3,再次沉積貴金屬；
8、s5使用反應(yīng)離子刻蝕，利用氬氣刻蝕未被納米球掩模板遮擋的貴金屬;
9、s6刻蝕完畢后，對(duì)納米球進(jìn)行物理剝離，獲得納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列。
10、優(yōu)選的，s2中，所述反應(yīng)離子刻蝕具體為使用反應(yīng)離子刻蝕方法對(duì)聚苯乙烯納米球進(jìn)行o2刻蝕，刻蝕功率為125w，氧氣壓強(qiáng)為20pa，氣體流量50sccm，刻蝕時(shí)間40s。
11、優(yōu)選的，s3具體包括：將硅片放置在傾斜60°的樣品臺(tái)上，抽真空至5×10-4pa，通氬氣調(diào)節(jié)濺射壓強(qiáng)為0.6pa，au濺射功率為0.01kw，濺射時(shí)間為90s，沉積60nm金膜。
12、優(yōu)選的，s1中，所述沉積al的厚度為100nm;沉積sio2厚度為100nm，沉積速率均為0.2?/s；所述納米球?yàn)榫郾揭蚁┘{米球，直徑為500nm。
13、優(yōu)選的，s5中，刻蝕功率為150w，壓強(qiáng)為20pa，氣體流量50sccm，刻蝕時(shí)間180s。
14、優(yōu)選的，s6中，使用聚亞酰胺膠帶對(duì)納米球進(jìn)行物理剝離。
15、優(yōu)選的，s6之后，還包括：步驟s7、使用六氟化硫氣體對(duì)二氧化硅進(jìn)行刻蝕實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)半懸浮態(tài)，減少介電損耗。
16、優(yōu)選的，s7具體包括以下步驟：
17、使用刻蝕功率為125w，壓強(qiáng)為20pa，氣體流量65sccm，刻蝕時(shí)間分別為60s，180s，420s。
18、在本發(fā)明中，制備了一種納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列，該周期性陣列有序度高、均勻性好、可重復(fù)性強(qiáng)，該制備方法較為簡(jiǎn)單、制備周期短，能夠有效地被大規(guī)模復(fù)制應(yīng)用，為后續(xù)納米結(jié)構(gòu)拓寬了可操作的空間。
1.一種納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法，其特征在于，s2中，所述反應(yīng)離子刻蝕具體為使用反應(yīng)離子刻蝕方法對(duì)聚苯乙烯納米球進(jìn)行o2刻蝕，刻蝕功率為125w，氧氣壓強(qiáng)為20pa，氣體流量50sccm，刻蝕時(shí)間40s。
3.如權(quán)利要求1所述的納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法，其特征在于，s3具體包括：將硅片放置在傾斜60°的樣品臺(tái)上，抽真空至5×10-4pa，通氬氣調(diào)節(jié)濺射壓強(qiáng)為0.6pa，au濺射功率為0.01kw，濺射時(shí)間為90s，沉積60nm金膜。
4.如權(quán)利要求1所述的納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法，其特征在于，s1中，所述沉積al的厚度為100nm;沉積sio2厚度為100nm，沉積速率均為0.2?/s；所述納米球?yàn)榫郾揭蚁┘{米球，直徑為500nm。
5.如權(quán)利要求1所述的納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法，其特征在于，s5中，刻蝕功率為150w，壓強(qiáng)為20pa，氣體流量50sccm，刻蝕時(shí)間180s。
6.如權(quán)利要求1所述的納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法，其特征在于，s6中，使用聚亞酰胺膠帶對(duì)納米球進(jìn)行物理剝離。
7.如權(quán)利要求1所述的納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法，其特征在于，s6之后，還包括：步驟s7、使用六氟化硫氣體對(duì)二氧化硅進(jìn)行刻蝕實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)半懸浮態(tài)，減少介電損耗。
8.如權(quán)利要求7所述的納米針尖開口環(huán)3d結(jié)構(gòu)周期性陣列的制備方法，其特征在于，s7具體包括以下步驟：