專利名稱：一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微納加工技術(shù)，尤其是涉及一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置及方法。
背景技術(shù)：
近年來，納米材料因其具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，以及在光、電、催化、存儲、醫(yī)療和傳感等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值，從而引起廣大科技工作者的研究興趣。迄今，人們已經(jīng)制備出多種形貌和結(jié)構(gòu)的納米材料，如聚苯乙烯納米球、金納米桿、硅納米線、碳納米管和氧化鋅納米盤等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，微納制造技術(shù)已經(jīng)從納米材料的合成與性質(zhì)表征，發(fā)展到人們能夠按照自己的意愿利用納米材料來設(shè)計和制造具有一定功能的微納結(jié)構(gòu)器件。目前，制備微納結(jié)構(gòu)器件主要有兩種方法第一種是利用弱的和方向性較小的非共價鍵，如氫鍵、范德瓦爾鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用，把原子、離子或分子連接組裝成特定的微/納米結(jié)構(gòu)。這種方法簡單方便，但是可控性及重復(fù)性方面有待提高；第二種是通過光刻、電子束刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、聚焦離子束刻蝕、納米壓印、電化學(xué)沉積、真空蒸鍍等方法， 制備特定的微/納米結(jié)構(gòu)。這些方法可以制備出精度高、形貌復(fù)雜的微/納米結(jié)構(gòu)，但是需要復(fù)雜和昂貴的微納加工設(shè)備，且耗時長、成本高，制備面積小、不能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。盡管人們在微納結(jié)構(gòu)器件制備的許多方面已經(jīng)取得了一些成果，但仍然不能滿足實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、 高效率、低成本的制備要求，因此很有必要發(fā)展一種操作簡單、成本低廉的微/納米結(jié)構(gòu)的制備方法。另一方面，激光直寫技術(shù)是一種發(fā)展迅速的新型微加工技術(shù)，它將激光束經(jīng)過特定的光學(xué)整形系統(tǒng)后直接對樣品表面進(jìn)行曝光或燒蝕，通過計算機(jī)控制樣品臺的移動來實(shí)現(xiàn)在樣品表面形成所需的浮雕輪廓。該技術(shù)屬于一次成形技術(shù)，無需復(fù)雜的后續(xù)處理工藝， 具有成本低、加工周期短、使用靈活、環(huán)境要求低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在微電子、集成光學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)等的制作方面獲得廣泛應(yīng)用。因此，利用激光直寫技術(shù)進(jìn)行金屬納米顆粒微陣列芯片的制備具有重要的發(fā)展前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種操作簡便、成本低廉，且效率高、重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置及方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置，其特征在于包括激光器、電控開關(guān)、空間濾波器、光束整形系統(tǒng)、反射鏡、聚焦物鏡、樣品夾、精密電控三維位移平臺和觀察屏，所述的電控開關(guān)用于控制所述的激光器發(fā)射的激光光束的開通與閉合，所述的空間濾波器主要由設(shè)置于所述的激光器與所述的光束整形系統(tǒng)的光入射端之間的第一光闌和設(shè)置于所述的光束整形系統(tǒng)的光出射端與所述的反射鏡之間的第二光闌組成，所述的樣品夾與所述的精密電控三維位移平臺連接，所述的樣品夾上的樣品位于所述的聚焦物鏡與所述的觀察屏之間，所述的樣品夾上的樣品通過所述的樣品夾在所述的精密電控三維位移平臺上的上下位移實(shí)現(xiàn)位置粗調(diào)，所述的樣品夾上的樣品通過所述的精密電控三維位移平臺位置的細(xì)調(diào)后處于所述的聚焦物鏡的焦平面；所述的電控開關(guān)開啟時所述的激光器發(fā)射的激光光束通過所述的第一光闌、所述的光束整形系統(tǒng)和所述的第二光闌入射到所述的反射鏡上，所述的反射鏡反射的激光光束通過所述的聚焦物鏡照射到樣品的激光直寫點(diǎn)上，當(dāng)所述的觀察屏上的衍射圖案穩(wěn)定時該激光直寫點(diǎn)已完成激光直寫。所述的激光器采用小功率激光器；所述的第一光闌和所述的第二光闌的孔徑大小均可調(diào)，最小孔徑大小均為0. 5mm，最大孔徑大小均為4mm ；所述的光束整形系統(tǒng)的擴(kuò)束倍數(shù)為4 ；所述的反射鏡的反射率為0. 95 ；所述的聚焦物鏡的放大倍數(shù)為10 100倍。所述的電控開關(guān)設(shè)置于所述的激光器、所述的第一光闌、所述的光束整形系統(tǒng)、所述的第二光闌、所述的反射鏡和所述的聚焦物鏡的任意兩者之間。所述的精密電控三維位移平臺主要由X軸方向移動組件、Y軸方向移動組件和Z軸方向移動組件組成，所述的X軸方向移動組件、所述的Y軸方向移動組件和所述的Z軸方向移動組件均采用手動的微調(diào)位移器或電動微調(diào)位移器。一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備方法，其特征在于包括以下步驟
①制備平均粒徑為ι 20nm的金屬納米粒子顆粒；
②將步驟①所制備的金屬納米粒子顆粒均勻分散于有機(jī)溶劑中，制備成濃度為20 100mg/ml的金屬納米粒子顆粒溶膠；
③選取聚合物材料，并將聚合物材料完全溶解于有機(jī)溶劑中，制備成濃度為20 100mg/ml的聚合物溶膠；
④按1 1 1:4的體積比混合金屬納米粒子顆粒溶膠和聚合物溶膠，再通過攪拌、超聲處理得到金屬納米粒子顆粒均勻分散的復(fù)合溶膠；
⑤采用旋轉(zhuǎn)涂膜方法將復(fù)合溶膠旋涂于襯底基片上，再通過恒溫箱烘烤固化得到厚度為200 6000nm的復(fù)合膠體薄膜；
⑥首先選擇金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的激光器，確定金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的聚焦物鏡的放大倍數(shù)，接通激光器電源并打開金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的電控開關(guān)，然后將復(fù)合膠體薄膜與襯底基片組成的樣品固定于金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的樣品夾上，將樣品夾固定在金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的精密電控三維位移平臺上并調(diào)整樣品夾在精密電控三維位移平臺上的位置實(shí)現(xiàn)樣品在Z軸方向上位置的粗調(diào)，接著調(diào)整精密電控三維位移平臺的Z軸方向移動組件，使樣品處于金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的聚焦物鏡的焦平面， 此后關(guān)閉電控開關(guān)，調(diào)整精密電控三維位移平臺的X軸方向移動組件、Y軸方向移動組件實(shí)現(xiàn)樣品在水平方向上的位置定位，再次打開電控開關(guān)并察看金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的觀察屏上的衍射圖案，當(dāng)衍射圖案穩(wěn)定時確定完成樣品的一個激光直寫點(diǎn)的激光直寫并關(guān)閉電控開關(guān)，再重復(fù)調(diào)整精密電控三維位移平臺的X軸方向移動組件、Y軸方向移動組件完成樣品的所有激光直寫點(diǎn)的激光直寫，得到金屬納米顆粒微陣列芯片。所述的步驟①所制備的金屬納米粒子顆粒為金納米粒子顆粒、或銀納米粒子顆粒、或鉬納米粒子顆粒。所述的步驟②中選用的有機(jī)溶劑與所述的步驟③中選用的有機(jī)溶劑相同，所述的有機(jī)溶劑用于溶解所述的步驟③中采用的聚合物材料和分散所述的步驟①所制備的金屬納米粒子顆粒。所述的步驟②和所述的步驟③中的有機(jī)溶劑采用甲苯、二甲苯、氯仿、二氯甲烷、 環(huán)己烷中的任一種；所述的步驟③中的聚合物材料采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚碳酸酯中的任一種。所述的步驟④中的攪拌時間為2 3小時；超聲處理的時間為20 80分鐘；所述的步驟⑤中的襯底基片采用玻璃基片、石英基片、ITO (氧化銦錫)玻璃基片中的任一種；在襯底基片上旋涂復(fù)合溶膠時設(shè)定旋涂轉(zhuǎn)速為800 1500rpm，且旋涂時間為20 60秒；利用恒溫箱烘烤時設(shè)定烘烤溫度為60 100度，且烘烤時間為2 6小時。所述的步驟⑥中選擇的激光器發(fā)射的激光光束的波長，應(yīng)依據(jù)所述的步驟①所制備的金屬納米粒子顆粒的共振吸收波長來確定，激光器的輸出功率依據(jù)激光光束被聚焦后能夠氣化所述的步驟③中采用的聚合物材料來決定；所述的步驟⑥中的聚焦物鏡的放大倍率依據(jù)實(shí)際設(shè)計圖案的線寬來選擇。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1)本發(fā)明裝置通過調(diào)整樣品夾在精密電控三維位移平臺上的位置來實(shí)現(xiàn)置放于樣品夾上的樣品的位置的粗調(diào)，再結(jié)合精密電控三維位移平臺的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)樣品的位置的細(xì)調(diào)， 使樣品處于聚焦物鏡的焦平面，這樣激光器發(fā)射的激光光束通過第一光闌、光束整形系統(tǒng)、 第二光闌、反射鏡、聚焦物鏡后照射到樣品上對樣品進(jìn)行激光直寫，并可以通過調(diào)整精密電控三維位移平臺的位置在樣品上實(shí)現(xiàn)激光直寫點(diǎn)的定位，制備金屬納米顆粒微陣列芯片。 本發(fā)明裝置不僅結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，且重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。2)本發(fā)明方法首先制備含有金屬納米粒子顆粒的復(fù)合溶膠，其包括將分散在有機(jī)溶劑中的金屬納米粒子顆粒溶膠與特定的聚合物材料溶膠按適當(dāng)體積比例進(jìn)行均勻混合， 然后采用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法，通過烘干、固化得到含金屬納米粒子顆粒的復(fù)合膠體薄膜樣品， 最后將該樣品置于激光直寫系統(tǒng)下進(jìn)行激光刻蝕得到金屬納米顆粒微陣列芯片。利用本發(fā)明方法制備得到的金屬納米顆粒微陣列芯片的點(diǎn)陣圖案分布均勻，金屬納米顆粒微陣列單元的輪廓清晰，形狀規(guī)則，單元點(diǎn)的大小和分布易于控制和調(diào)整，且本發(fā)明方法工藝簡單、 成本低廉、易于推廣。3)本發(fā)明方法采用有機(jī)聚合物材料作為成膜材料，具有原材料來源廣泛，價格低廉的優(yōu)點(diǎn)。4)本發(fā)明方法只需利用低功率激光器就可對復(fù)合膠體薄膜進(jìn)行激光直寫獲取金屬納米顆粒微陣列芯片，因此有效降低了設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)成本。5)本發(fā)明方法采用金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置中的精密電控三維位移平臺控制復(fù)合膠體薄膜的位置，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖案的制備。6)本發(fā)明方法采用的精密電控三維位移平臺可以通過電腦編程控制，因此激光直寫過程可以實(shí)現(xiàn)自動化控制，能有效地提高工作效率和實(shí)現(xiàn)高重復(fù)率，易于推廣及大規(guī)模生產(chǎn)。7)在配制復(fù)合溶膠的過程中，通過改變金屬納米粒子顆粒溶膠和聚合物溶膠的體積比，可以有效地控制復(fù)合膠體薄膜中金屬納米粒子顆粒的分布，制備出結(jié)構(gòu)完整、界面清晰的金屬納米顆粒微陣列芯片。


圖1為本發(fā)明的金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為實(shí)施例二制備的金納米顆粒微陣列芯片的掃描電子顯微鏡照片； 圖3為實(shí)施例三制備的金納米顆粒微陣列芯片的掃描電子顯微鏡照片； 圖4為實(shí)施例四制備的金納米顆粒微陣列芯片的掃描電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。實(shí)施例一
本實(shí)施例提出的一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置，如圖1所示，其主要包括激光器11、空間濾波器、光束整形系統(tǒng)13、電控開關(guān)14、反射鏡15、聚焦物鏡16、樣品夾17、 精密電控三維位移平臺18和觀察屏19，電控開關(guān)14用于控制激光器11發(fā)射的激光光束的開通與閉合，空間濾波器主要由設(shè)置于激光器11與光束整形系統(tǒng)13的光入射端之間的第一光闌121和設(shè)置于光束整形系統(tǒng)13的光出射端與反射鏡15之間的第二光闌122組成， 樣品夾17與精密電控三維位移平臺18連接，樣品夾17上的樣品173位于聚焦物鏡16與觀察屏19之間，樣品夾17上的樣品173通過樣品夾17在精密電控三維位移平臺18上的上下位移實(shí)現(xiàn)位置粗調(diào)，樣品夾17上的樣品173通過精密電控三維位移平臺18的細(xì)調(diào)后處于聚焦物鏡16的焦平面；電控開關(guān)14開啟時激光器11發(fā)射的激光光束通過第一光闌 121、光束整形系統(tǒng)13和第二光闌122入射到反射鏡15上，反射鏡15反射的激光光束通過聚焦物鏡16照射到樣品173的激光直寫點(diǎn)上，當(dāng)觀察屏19上的衍射圖案穩(wěn)定時該激光直寫點(diǎn)已完成激光直寫。在此具體實(shí)施例中，激光器11選用小功率激光器，如半導(dǎo)體激光器、固體藍(lán)光激光器和半導(dǎo)體泵浦固體紫外激光器等，在實(shí)際應(yīng)用過程中選用何種激光器則應(yīng)滿足選擇的激光器發(fā)射的激光光束的波長應(yīng)依據(jù)制備金屬納米顆粒微陣列芯片所用的金屬納米粒子顆粒的共振吸收波長來確定，激光器的輸出功率應(yīng)依據(jù)激光光束被聚焦后能夠氣化制備金屬納米顆粒微陣列芯片所用的聚合物材料來決定；第一光闌121和第二光闌122選擇孔徑大小均可調(diào)的光闌，最小孔徑大小均選為0. 5mm，最大孔徑大小均選為4mm ；光束整形系統(tǒng)13的擴(kuò)束倍數(shù)選為4倍；反射鏡15的反射率選為0. 95 ；聚焦物鏡16的放大倍數(shù)選為 10 100倍，在實(shí)際應(yīng)用過程中在選擇聚焦物鏡16的放大倍數(shù)時應(yīng)依據(jù)實(shí)際設(shè)計圖案的線寬來選擇。在此具體實(shí)施例中，電控開關(guān)14設(shè)置于激光器11、第一光闌121、光束整形系統(tǒng) 13、第二光闌122、反射鏡15和聚焦物鏡16的任意兩者之間，圖1中的電控開關(guān)14設(shè)置于光束整形系統(tǒng)13的光出射端與第二光闌122之間，實(shí)際應(yīng)用過程中可由使用者自行確定電控開關(guān)14的位置。在此具體實(shí)施例中，樣品173固定于樣品夾17上的固定方式可采用現(xiàn)有的任意成熟的固定方式，本實(shí)施例通過緊固螺絲171將樣品173固定于樣品夾17上；樣品夾17與精密電控三維位移平臺18的固定方式也可采用現(xiàn)有的任意成熟的固定方式，如可在精密電控三維位移平臺18的平臺上設(shè)置一導(dǎo)軌184，通過現(xiàn)有的緊固件172將樣品夾17固定在導(dǎo)軌184上，當(dāng)需對樣品的位置進(jìn)行粗調(diào)時，松動緊固件172使樣品夾17在導(dǎo)軌184上位移就能實(shí)現(xiàn)，粗調(diào)結(jié)束后，擰緊緊固件172即可。在此具體實(shí)施例中，精密電控三維位移平臺18主要由X軸方向移動組件181、Y軸方向移動組件182和Z軸方向移動組件183組成，X軸方向移動組件181、Υ軸方向移動組件 182和Z軸方向移動組件183采用手動微調(diào)位移器或電動微調(diào)位移器，采用電動微調(diào)位移器時，電動微調(diào)位移器與計算機(jī)連接，通過計算機(jī)控制電動微調(diào)位移器的位移實(shí)現(xiàn)樣品173 的位置的細(xì)調(diào)。實(shí)施例二
本實(shí)施例提出了一種利用實(shí)施例一所述的制備裝置制備金納米顆粒微陣列芯片的方法，其主要包括以下步驟
①制備平均粒徑為IOnm的金納米粒子顆粒。在此具體實(shí)施例中，金納米粒子顆粒的制備過程如下1)稱取1. 5g的四辛基溴化銨片狀固體，將四辛基溴化銨完全溶解于80ml的甲苯溶劑中備用；2)稱取0.31g的三水氯金酸粉末，將三水氯金酸粉末溶于20ml的去離子水中得到黃色水溶液，然后將黃色水溶液加入到由過程1)獲得的含四辛基溴化銨的甲苯溶液中，在室溫下劇烈攪拌并超聲作用3 分鐘直至黃色水溶液變成無色，再移除下層的水溶液；3)在由過程2)獲得的溶液中加入用減法稱量稱取的正己硫醇0. 36g，室溫下攪拌10分鐘；4)稱取0. 38g硼氫化鈉粉末，將硼氫化鈉粉末溶于20ml的去離子水中，待充分溶解后均勻地將該水溶液滴加到由過程3)獲得的溶液中，在冰水浴的情況下劇烈攪拌30分鐘，再在室溫下攪拌3小時后，移除下層水溶液后將上層的黑色溶液轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，控制溫度在50攝氏度以下，蒸發(fā)黑色溶液至 IOml左右；5)在由過程4)獲得的溶液中加入400ml的乙醇，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將該溶液蒸發(fā)至 IOml左右；6)重復(fù)2次采用與過程5)相同的操作對上一次操作得到的溶液進(jìn)行處理；7)向過程6)獲得的黑色溶液中加入200ml的去離子水，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將該溶液蒸干；8)重復(fù)2 次采用與過程7)相同的操作對上一次操作得到的粉末進(jìn)行處理，蒸干得到黑色粉末，該黑色粉末為金納米粒子顆粒，總質(zhì)量約為800mg，平均粒徑為lOnm。②將步驟①中制得的800mg的金納米粒子顆粒完全均勻分散于IOml的甲苯中，制備成濃度為80mg/ml的金納米粒子顆粒溶膠。③稱取聚苯乙烯0. 5g，加入IOml的甲苯溶劑且置于磁力攪拌器上攪拌2. 5小時， 直至聚苯乙烯完全溶解，得到濃度為50mg/ml的聚苯乙烯溶膠。④將量取的濃度為80mg/ml的金納米粒子顆粒溶膠Iml和濃度為50mg/ml的聚苯乙烯溶膠Iml混合，通過攪拌和超聲處理得到金納米粒子顆粒均勻分散的復(fù)合溶膠。在此， 攪拌時間為2. 5小時，超聲處理時間為80分鐘。⑤采用旋轉(zhuǎn)涂膜方法將步驟④獲得的復(fù)合溶膠旋涂于石英基片上，并置于恒溫箱內(nèi)烘烤固化，在石英基片上形成厚度為4 μ m的復(fù)合膠體薄膜，作為樣品。在此，設(shè)定旋涂轉(zhuǎn)速為1200rpm，旋涂時間為40秒；烘烤溫度為80度，烘烤時間為4小時。⑥首先選擇金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的激光器11，在此，選擇半導(dǎo)體激光器，其出射的激光光束的波長為532nm，其采用連續(xù)輸出方式且輸出功率為35mw， 并確定金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的聚焦物鏡16的數(shù)值孔徑為0. 4且放大
8倍數(shù)為25倍，接通激光器11電源并打開金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的電控開關(guān)14，然后將復(fù)合膠體薄膜與襯底基片組成的樣品173固定于金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的樣品夾17上，調(diào)整樣品夾在金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的精密電控三維位移平臺18上的導(dǎo)軌184上的位置實(shí)現(xiàn)樣品173在Z軸方向上位置的粗調(diào)，接著調(diào)整精密電控三維位移平臺的Z軸方向移動組件183，使樣品173處于金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的聚焦物鏡16的焦平面，此后關(guān)閉電控開關(guān)14，調(diào)整精密電控三維位移平臺的X軸方向移動組件181、Y軸方向移動組件182實(shí)現(xiàn)樣品在水平方向上的位置定位，再次打開電控開關(guān)14并察看金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的觀察屏19上的衍射圖案，當(dāng)衍射圖案穩(wěn)定時確定完成樣品173的一個激光直寫點(diǎn)的激光直寫并關(guān)閉電控開關(guān)14，再重復(fù)調(diào)整精密電控三維位移平臺的X軸方向移動組件181、Υ軸方向移動組件182完成樣品173的所有激光直寫點(diǎn)的激光直寫，得到金屬納米顆粒微陣列芯片。在此具體實(shí)施例中，對復(fù)合膠體薄膜進(jìn)行激光直寫的具體過程為1)打開激光器 11的電源，半小時后激光器穩(wěn)定輸出激光；2)關(guān)閉電控開關(guān)14，用緊固螺絲171固定樣品 173，調(diào)整緊固件172使得樣品173距離聚焦物鏡16為Icm左右；3)調(diào)整X軸方向移動組件181和Y軸方向移動組件182，使激光光束照射在樣品173的邊緣，打開電控開關(guān)14，調(diào)整Z軸方向移動組件183，使樣品173沿Z軸方向移動，在經(jīng)過聚焦物鏡16的焦平面處，激光光束在樣品173上直寫形成圓孔，在此過程中，在觀察屏19上出現(xiàn)的激光衍射圓環(huán)會發(fā)生先內(nèi)陷后外涌或者先外涌后內(nèi)陷現(xiàn)象，反向調(diào)節(jié)Z軸方向移動組件183，當(dāng)圓環(huán)由外涌轉(zhuǎn)為內(nèi)陷或者由內(nèi)陷轉(zhuǎn)為外涌時，說明樣品173正好處于聚焦物鏡16的焦平面；4)關(guān)閉電控開關(guān)14，調(diào)整X軸方向移動組件181和Y軸方向移動組件182，在樣品173上選取定位參考點(diǎn)作為激光直寫圖案的起始點(diǎn)；5)打開電控開關(guān)14，激光光束照射樣品173上的定位參考點(diǎn)，察看觀察屏19上的衍射圖案的變化，當(dāng)衍射圖案穩(wěn)定后，該點(diǎn)的激光直寫完成；6)關(guān)閉電控開關(guān)14，調(diào)整X軸方向移動組件181和Y軸方向移動組件182，選取下一個激光直寫點(diǎn)的位置；7)根據(jù)微陣列芯片的設(shè)計，多次重復(fù)過程5)和過程6)，直到圖案全部制作完畢，即獲得金納米顆粒微陣列芯片。圖2給出了本實(shí)施例制備得到的金納米顆粒微陣列芯片的掃描電子顯微鏡照片。 從圖2可以看出，該金納米顆粒微陣列芯片的點(diǎn)陣圖案分布均勻，各金納米顆粒微陣列單元的輪廓清晰，形狀規(guī)則，內(nèi)外環(huán)邊緣呈臺階狀，內(nèi)環(huán)直徑為5 μ m，外環(huán)直徑為12 μ m，內(nèi)環(huán)中的金納米粒子顆粒呈均勻分布。實(shí)施例三
本實(shí)施例的金納米顆粒微陣列芯片的制備方法中的步驟①至步驟③及步驟⑤至⑥與實(shí)施例二所述的金納米顆粒微陣列芯片的制備方法中的步驟①至步驟③及步驟⑤至⑥相同，本實(shí)施例中復(fù)合溶膠的體積配比與實(shí)施例二的不同，即步驟④不相同。本實(shí)施例的步驟 ④為將量取的濃度為80mg/ml的金納米粒子顆粒溶膠Iml和濃度為50mg/ml的聚苯乙烯溶膠2ml混合，通過攪拌和超聲處理得到金納米粒子顆粒均勻分散的復(fù)合溶膠。圖3給出了本實(shí)施例制備得到的金納米顆粒微陣列芯片的掃描電子顯微鏡照片。 從圖3可以看出，該金納米顆粒微陣列芯片的點(diǎn)陣圖案分布均勻，金納米顆粒微陣列單元的輪廓清晰，形狀規(guī)則，內(nèi)外環(huán)邊緣呈臺階狀，內(nèi)環(huán)直徑為8 μ m，外環(huán)直徑為13 μ ，內(nèi)環(huán)中的金納米粒子顆粒呈均勻分布。
實(shí)施例四
本實(shí)施例的金納米顆粒微陣列芯片的制備方法中的步驟①至步驟③及步驟⑤至⑥與實(shí)施例二所述的金納米顆粒微陣列芯片的制備方法中的步驟①至步驟③及步驟⑤至⑥相同，本實(shí)施例中復(fù)合溶膠的體積配比與實(shí)施例二的不同，即步驟④不相同。本實(shí)施例的步驟 ④為將量取的濃度為80mg/ml的金納米粒子顆粒溶膠Iml和濃度為50mg/ml的聚苯乙烯溶膠細(xì)1混合，通過攪拌和超聲處理得到金納米粒子顆粒均勻分散的復(fù)合溶膠。圖4給出了本實(shí)施例制備得到的金納米顆粒微陣列芯片的掃描電子顯微鏡照片。 從圖4中可以看出，金納米顆粒微陣列芯片的點(diǎn)陣圖案分布均勻，金納米顆粒微陣列單元的外環(huán)輪廓清晰，邊緣光滑隆起，直徑為15 μ m，中間部位呈凹坑狀，直徑為5 μ m。實(shí)施例五
本實(shí)施例提出的一種銀納米顆粒微陣列芯片的制備方法，其主要包括以下步驟 ①制備平均粒徑為20nm的親油性銀納米粒子顆粒500mg。②將步驟①中制得的銀納米粒子顆粒完全均勻分散于IOml的氯仿中，制備成濃度為50mg/ml的銀納米粒子顆粒溶膠。③稱取聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 0.4g，加入IOml的氯仿且置于磁力攪拌器上攪拌2小時，直至PMMA完全溶解，得到濃度為40mg/ml的PMMA溶膠。④將量取的濃度為50mg/ml的銀納米粒子顆粒溶膠Iml和濃度為40mg/ml的PMMA 溶膠2ml混合，通過攪拌和超聲處理得到銀納米粒子顆粒均勻分散的復(fù)合溶膠。在此，攪拌時間為3小時，超聲處理時間為40分鐘。⑤采用旋轉(zhuǎn)涂膜方法將步驟④獲得的復(fù)合溶膠旋涂于玻璃襯底基片上，并置于恒溫箱內(nèi)烘烤固化，在玻璃襯底基片上形成厚度為6 μ m的復(fù)合膠體薄膜，作為樣品。在此，設(shè)定旋涂轉(zhuǎn)速為900rpm，旋涂時間為30秒；烘烤溫度為90度，烘烤時間為3小時。⑥本實(shí)施例的銀納米顆粒微陣列芯片的制備與實(shí)施例二的金納米顆粒微陣列芯片的制備采用的制備裝置基本相同，不同之處僅在于本實(shí)施例的激光器11選擇連續(xù)輸出的固體藍(lán)光激光器，其發(fā)射的激光光束的波長為457nm，輸出功率為lOOmw。實(shí)施例六
本實(shí)施例提出的一種鉬納米顆粒微陣列芯片的制備方法，其主要包括以下步驟 ①制備平均粒徑為5nm的親油性鉬納米粒子顆粒400mg。②將步驟①中制得的鉬納米粒子顆粒完全溶解于5ml的二氯甲烷中，制備成濃度為80mg/ml的鉬納米粒子顆粒溶膠。③稱取聚碳酸酯0. 2g，加入IOml的二氯甲烷且置于磁力攪拌器上攪拌2. 5小時， 直至聚碳酸酯完全溶解，得到濃度為20mg/ml的聚碳酸酯溶膠。④將量取的濃度為80mg/ml的鉬納米粒子顆粒溶膠Iml和濃度為20mg/ml的聚碳酸酯溶膠2ml混合，通過攪拌和超聲處理得到鉬納米粒子顆粒均勻分散的復(fù)合溶膠。在此， 攪拌時間為2小時，超聲處理時間為60分鐘。⑤采用旋轉(zhuǎn)涂膜方法將步驟④獲得的復(fù)合溶膠旋涂于ITO玻璃襯底基片上，并置于恒溫箱內(nèi)烘烤固化，在ITO玻璃襯底基片上形成厚度為3 μ m的復(fù)合膠體薄膜，作為樣品。 在此，設(shè)定旋涂轉(zhuǎn)速為1500rpm，旋涂時間為60秒；烘烤溫度為100度，烘烤時間為4小時。
⑥本實(shí)施例的鉬納米顆粒微陣列芯片的制備與實(shí)施例二的金納米顆粒微陣列芯片的制備采用的制備裝置基本相同，不同之處僅在于本實(shí)施例的激光器11為連續(xù)輸出的半導(dǎo)體泵浦固體紫外激光器，其發(fā)射的激光光束的波長為266nm，輸出功率為50mw。除上述給出的具體實(shí)施例二至六外，使用者可以根據(jù)實(shí)際情況選擇各個參數(shù)的具體值；使用者在選擇有機(jī)溶劑時還可選擇二甲苯或環(huán)己烷等，只要保證步驟②中選用的有機(jī)溶劑與步驟③中選用的有機(jī)溶劑相同，且所選的有機(jī)溶劑能夠溶解步驟③中采用的聚合物材料和分散步驟①所制備的金屬納米粒子顆粒；使用者在選擇聚合物材料時還可選擇聚丙烯等聚合物材料；使用者選擇的激光器發(fā)射的激光光束的波長應(yīng)依據(jù)步驟①所制備的金屬納米粒子顆粒的共振吸收波長來確定，激光器的輸出功率應(yīng)依據(jù)激光光束被聚焦后能夠氣化步驟③中采用的聚合物材料來決定；使用者選擇聚焦物鏡的放大倍率時應(yīng)依據(jù)實(shí)際設(shè)計圖案的線寬來選擇。
權(quán)利要求
1.一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置，其特征在于包括激光器、電控開關(guān)、空間濾波器、光束整形系統(tǒng)、反射鏡、聚焦物鏡、樣品夾、精密電控三維位移平臺和觀察屏，所述的電控開關(guān)用于控制所述的激光器發(fā)射的激光光束的開通與閉合，所述的空間濾波器主要由設(shè)置于所述的激光器與所述的光束整形系統(tǒng)的光入射端之間的第一光闌和設(shè)置于所述的光束整形系統(tǒng)的光出射端與所述的反射鏡之間的第二光闌組成，所述的樣品夾與所述的精密電控三維位移平臺連接，所述的樣品夾上的樣品位于所述的聚焦物鏡與所述的觀察屏之間，所述的樣品夾上的樣品通過所述的樣品夾在所述的精密電控三維位移平臺上的上下位移實(shí)現(xiàn)位置粗調(diào)，所述的樣品夾上的樣品通過所述的精密電控三維位移平臺位置的細(xì)調(diào)后處于所述的聚焦物鏡的焦平面；所述的電控開關(guān)開啟時所述的激光器發(fā)射的激光光束通過所述的第一光闌、所述的光束整形系統(tǒng)和所述的第二光闌入射到所述的反射鏡上，所述的反射鏡反射的激光光束通過所述的聚焦物鏡照射到樣品的激光直寫點(diǎn)上，當(dāng)所述的觀察屏上的衍射圖案穩(wěn)定時該激光直寫點(diǎn)已完成激光直寫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置，其特征在于所述的激光器采用小功率激光器；所述的第一光闌和所述的第二光闌的孔徑大小均可調(diào)，最小孔徑大小均為0. 5mm,最大孔徑大小均為4mm ；所述的光束整形系統(tǒng)的擴(kuò)束倍數(shù)為4 ；所述的反射鏡的反射率為0. 95 ；所述的聚焦物鏡的放大倍數(shù)為10 100倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置，其特征在于所述的電控開關(guān)設(shè)置于所述的激光器、所述的第一光闌、所述的光束整形系統(tǒng)、所述的第二光闌、所述的反射鏡和所述的聚焦物鏡的任意兩者之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置，其特征在于所述的精密電控三維位移平臺主要由X軸方向移動組件、Y軸方向移動組件和Z軸方向移動組件組成，所述的X軸方向移動組件、所述的Y軸方向移動組件和所述的Z軸方向移動組件均采用手動的微調(diào)位移器或電動微調(diào)位移器。
5.一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備方法，其特征在于包括以下步驟①制備平均粒徑為1 20nm的金屬納米粒子顆粒；②將步驟①所制備的金屬納米粒子顆粒均勻分散于有機(jī)溶劑中，制備成濃度為20 100mg/ml的金屬納米粒子顆粒溶膠；③選取聚合物材料，并將聚合物材料完全溶解于有機(jī)溶劑中，制備成濃度為20 100mg/ml的聚合物溶膠；④按1 1 1:4的體積比混合金屬納米粒子顆粒溶膠和聚合物溶膠，再通過攪拌、超聲處理得到金屬納米粒子顆粒均勻分散的復(fù)合溶膠；⑤采用旋轉(zhuǎn)涂膜方法將復(fù)合溶膠旋涂于襯底基片上，再通過恒溫箱烘烤固化得到厚度為200 6000nm的復(fù)合膠體薄膜；⑥首先選擇金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的激光器，確定金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的聚焦物鏡的放大倍數(shù)，接通激光器電源并打開金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的電控開關(guān)，然后將復(fù)合膠體薄膜與襯底基片組成的樣品固定于金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的樣品夾上，將樣品夾固定在金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的精密電控三維位移平臺上并調(diào)整樣品夾在精密電控三維位移平臺上的位置實(shí)現(xiàn)樣品在Z軸方向上位置的粗調(diào)，接著調(diào)整精密電控三維位移平臺的Z軸方向移動組件，使樣品處于金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的聚焦物鏡的焦平面， 此后關(guān)閉電控開關(guān)，調(diào)整精密電控三維位移平臺的X軸方向移動組件、Y軸方向移動組件實(shí)現(xiàn)樣品在水平方向上的位置定位，再次打開電控開關(guān)并察看金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置所用的觀察屏上的衍射圖案，當(dāng)衍射圖案穩(wěn)定時確定完成樣品的一個激光直寫點(diǎn)的激光直寫并關(guān)閉電控開關(guān)，再重復(fù)調(diào)整精密電控三維位移平臺的X軸方向移動組件、Y軸方向移動組件完成樣品的所有激光直寫點(diǎn)的激光直寫，得到金屬納米顆粒微陣列芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備方法，其特征在于所述的步驟①所制備的金屬納米粒子顆粒為金納米粒子顆粒、或銀納米粒子顆粒、或鉬納米粒子顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備方法，其特征在于所述的步驟②中選用的有機(jī)溶劑與所述的步驟③中選用的有機(jī)溶劑相同，所述的有機(jī)溶劑用于溶解所述的步驟③中采用的聚合物材料和分散所述的步驟&所制備的金屬納米粒子顆粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備方法，其特征在于所述的步驟②和所述的步驟③中的有機(jī)溶劑采用甲苯、二甲苯、氯仿、二氯甲烷、環(huán)己烷中的任一種；所述的步驟③中的聚合物材料采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚碳酸酯中的任一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備方法，其特征在于所述的步驟④中的攪拌時間為2 3小時；超聲處理的時間為20 80分鐘；所述的步驟⑤中的襯底基片采用玻璃基片、石英基片、ITO玻璃基片中的任一種；在襯底基片上旋涂復(fù)合溶膠時設(shè)定旋涂轉(zhuǎn)速為800 1500rpm，且旋涂時間為20 60秒；利用恒溫箱烘烤時設(shè)定烘烤溫度為60 100度，且烘烤時間為2 6小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備方法，其特征在于所述的歩驟心中選擇的激光器發(fā)射的激光光束的波長，應(yīng)依據(jù)所述的步驟①所制備的金屬納米粒子顆粒的共振吸收波長來確定，激光器的輸出功率依據(jù)激光光束被聚焦后能夠氣化所述的步驟③中采用的聚合物材料來決定；所述的步驟 中的聚焦物鏡的放大倍率依據(jù)實(shí)際設(shè)計圖案的線寬來選擇。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬納米顆粒微陣列芯片的制備裝置及方法，該制備裝置包括激光器、電控開關(guān)、空間濾波器、光束整形系統(tǒng)、反射鏡、聚焦物鏡、樣品夾、精密電控三維位移平臺和觀察屏，該制備方法的步驟為首先制備含有金屬納米粒子顆粒和聚合物材料的復(fù)合溶膠，然后將復(fù)合溶膠旋涂于襯底基片上，再烘干、固化得到含金屬納米粒子顆粒的復(fù)合膠體薄膜，最后將復(fù)合膠體薄膜與襯底基片組成的樣品置于制備裝置下進(jìn)行激光刻蝕得到金屬納米顆粒微陣列芯片，利用本發(fā)明方法制得的金屬納米顆粒微陣列芯片的點(diǎn)陣圖案分布均勻，金屬納米顆粒微陣列單元的輪廓清晰，形狀規(guī)則，單元點(diǎn)的大小和分布易于控制和調(diào)整，且本發(fā)明方法工藝簡單、成本低廉、易于推廣。
文檔編號G03F7/00GK102424356SQ20111037820
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者周駿, 張琪, 林豪, 陽明仰, 顏承恩 申請人:寧波大學(xué)