本發(fā)明屬于納米粒子制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于快速退火金屬薄膜自組裝納米粒子的方法。

背景技術(shù)：

金屬納米粒子由于表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，表現(xiàn)出許多獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。其中，金屬納米粒子的局域表面等離子體共振特性(Localized surface plasmonresonance，LSPR)是研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。當(dāng)入射光波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于金屬納米粒子時(shí)會(huì)在金屬納米粒子表面激發(fā)局域表面等離子體共振，在納米粒子表面會(huì)增強(qiáng)選擇性光子吸收并產(chǎn)生局域增強(qiáng)電場(chǎng)。金屬納米粒子的這些特性在生物傳感、表面增強(qiáng)光譜、等離子體太陽(yáng)能電池、光學(xué)傳感器、催化等領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用。

金屬納米粒子的這些獨(dú)特性能是由納米粒子的尺寸、形狀、分布所決定的，因而納米粒子的尺寸、形貌可控制備變得非常重要。尋找或探索一種具有設(shè)備簡(jiǎn)單、使用和維護(hù)成本低、生長(zhǎng)方法簡(jiǎn)單快捷、成點(diǎn)質(zhì)量高、易于產(chǎn)業(yè)化推廣等優(yōu)點(diǎn)的金屬納米粒子制備方法是該領(lǐng)域中急需解決的難題。

目前在基片上制備金屬納米粒子的常用方法是將膠體金屬納米粒子固定在襯底上。該方法首先利用化學(xué)還原反應(yīng)將金屬鹽溶液中的金屬還原出來(lái)，制備出納米金屬膠體溶液，再將該膠體溶液轉(zhuǎn)移到襯底上通過(guò)熱蒸發(fā)將液體蒸發(fā)，就在襯底上制備出金屬納米粒子。然而這種方法制備的納米顆粒分布不均勻，易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，并且穩(wěn)定性和可重復(fù)性不高。其他的納米制備方法還有光刻技術(shù)和納米印刷技術(shù)等，他們制備成本高、工藝較復(fù)雜、不能大規(guī)模推廣使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷和不足，提供一種基于快速退火金屬薄膜自組裝納米粒子的方法，該方法采用在基片上生長(zhǎng)納米顆粒，其成本低、簡(jiǎn)單易行，能夠得到離散分布，并且分散均勻、粒徑均一的納米顆粒。

本發(fā)明是通過(guò)采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于快速退火金屬薄膜自組裝納米粒子的方法，其特征在于步驟如下：

首先，在基片上沉積一層金屬薄膜，然后將沉積有膜的基片置于快速退火爐中，加載退火程序進(jìn)行退火處理，通過(guò)對(duì)起始溫度、升溫速率、駐溫時(shí)間和在退火處理中保護(hù)氣體的流量控制進(jìn)行快速熱退火，得到制備了一層納米粒子的基片。

所述的“加載退火程序進(jìn)行退火處理，通過(guò)對(duì)起始溫度、升溫速率、駐溫時(shí)間和在退火處理中保護(hù)氣體的流量控制進(jìn)行快速熱退火”的具體步驟如下：

設(shè)置初始溫度：根據(jù)環(huán)境溫度設(shè)定，時(shí)間設(shè)為5-15s，保護(hù)氣體速率設(shè)為8-12SLPM(stard liter per minute，標(biāo)準(zhǔn)公升每分鐘流量值，下同)；

升溫階段：退火溫度設(shè)為300-800℃ ，升溫時(shí)間為20-30s，保護(hù)氣體速率為2-5SLPM；

駐溫階段：溫度保持在300-800℃ ，時(shí)間為20-40s，保護(hù)氣體速率為2-5SLPM；

降溫階段：溫度設(shè)置為室溫，時(shí)間為60-100s，保護(hù)氣體速率為8-12SLPM；

當(dāng)降溫過(guò)程結(jié)束，溫度低于100℃ 時(shí)，從快速退火爐中取出制備了一層納米粒子的基片。

所述金屬薄膜沉積的厚度控制在2-20nm之間。

所述的金屬薄膜的材質(zhì)為金、銀、鉑或者金、銀、鉑的合金。

所述的襯底材料的材質(zhì)為GaAs基片、硅片、玻璃、ITO或薄膜太陽(yáng)能電池。

所述沉積方法為磁控濺射法、離子濺射法、電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)。

所述的降溫采用水冷和風(fēng)冷相結(jié)合的方式，水冷系統(tǒng)配置設(shè)置為25℃ 。風(fēng)冷系統(tǒng)采用保護(hù)氣體降溫。

所述的保護(hù)氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果如下：

1、本方法應(yīng)用了固體脫濕原理。固體薄膜的沉積狀態(tài)通常是亞穩(wěn)定或不穩(wěn)定，當(dāng)這種亞穩(wěn)態(tài)被破壞后，薄膜將演變?yōu)闊崞胶鉅顟B(tài)小的顆粒狀。這個(gè)過(guò)程是由表面能趨于最小驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)薄膜很薄的時(shí)候，這個(gè)過(guò)程會(huì)在遠(yuǎn)低于薄膜熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行。該過(guò)程就是通常所說(shuō)的固態(tài)脫濕。通過(guò)在襯底上沉積一層亞穩(wěn)定的薄膜，然后在一定溫度下進(jìn)行退火迫使固體脫濕的產(chǎn)生。該方法可被用于納米粒子整理的自組裝。引起固體脫濕的方法通常有電子束轟擊、粒子束照射和熱退火。電子束和粒子束存在很大的局限性，如使用成本太高、難以大規(guī)模使用以及高能粒子引起材料和器件的缺陷。而快速退火處理引起薄膜固態(tài)脫濕現(xiàn)象產(chǎn)生是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法。通過(guò)快速退火使亞穩(wěn)態(tài)金屬薄膜脫濕產(chǎn)生的金屬納米粒子密度高、分布均勻、避免了粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象，具備操作簡(jiǎn)捷，納米粒子形貌可控，制備效率高等優(yōu)點(diǎn)?？焖贌嵬嘶鹗菍?shí)現(xiàn)納米粒子自主裝最為快捷和經(jīng)濟(jì)的方法。

2、本方法采用沉積一層薄金屬膜在襯底上，然后通過(guò)快速退火處理，通過(guò)固態(tài)脫濕原理，薄膜將演變?yōu)闊崞胶鈼l件下的顆粒狀。采用本方法所說(shuō)步驟中各個(gè)控制參數(shù)，結(jié)合實(shí)施例和附圖，這種方法生產(chǎn)的金屬納米粒子密度高、分布均勻、避免了粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象，具備操作簡(jiǎn)捷，納米粒子形貌可控，制備效率高等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，其中：

圖1為砷化鎵襯底8nm金薄薄膜在500℃，退火30s退火生成的金納米粒子示意圖；

圖2為硅太陽(yáng)能電池10s蒸金薄膜400℃，退火30s退火生成的金納米粒子示意圖；

圖3為硅太陽(yáng)能電池10s蒸金薄膜500℃，退火30s退火生成的金納米粒子示意圖；

圖4為硅太陽(yáng)能電池10s蒸金薄膜600℃，退火30s退火生成的金納米粒子示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施實(shí)例1：GaAs襯底上自組裝金納米粒子。（參見(jiàn)圖1）

首先將GaAs基片清洗干凈，用氮?dú)獯蹈伞＠眯⌒土Ｗ訛R射儀，在基底上濺射一層金屬薄膜，通過(guò)濺射時(shí)間控制濺射薄膜的厚度，薄膜濺射完成后，用高分辨率XRD測(cè)試薄膜的厚度(即通過(guò)XRR技術(shù)測(cè)試薄膜厚度)。測(cè)試結(jié)果12秒濺射時(shí)間厚度的薄膜為8nm厚。

啟動(dòng)快速退火爐，將蒸有金屬薄膜的基片放置于載盤上。關(guān)閉腔體后，在主機(jī)上設(shè)置退火條件：初始溫度，溫度根據(jù)環(huán)境溫度來(lái)設(shè)定，一般設(shè)置為25℃ ，時(shí)間設(shè)為10s左右，氮?dú)馑俾试O(shè)為10SLPM；升溫階段，退火溫度設(shè)為500℃ ，升溫時(shí)間為25s，氮?dú)馑俾蕿?SLPM；駐溫階段，溫度保持在500℃ ，時(shí)間為30s，氮?dú)馑俾蕿?SLPM；降溫階段，溫度設(shè)置為室溫，時(shí)間為90s，氮?dú)馑俾蕿?0SLPM。當(dāng)降溫過(guò)程結(jié)束，溫度低于100℃ 時(shí)，緩慢打開(kāi)腔門，取出基片?；现苽淞艘粚咏鸺{米粒子。

實(shí)施實(shí)例2：硅太陽(yáng)能電池上自組裝金納米粒子。（參見(jiàn)圖2-4）

將從市場(chǎng)上購(gòu)買的單晶硅n+-p型太陽(yáng)能電池去除正面銀電極和氮化硅減反層去掉作為濺射的襯底。方法是將電池片沉浸在HF:H₂O為1：3體積比的腐蝕溶液中30分鐘，可以很好的去除表面的減反層，裸露出電池表面的金字塔織構(gòu)。去除減反層后，再依次將太陽(yáng)能電池片放入丙酮溶液、異丙醇溶液、去離子水中各超聲清洗5分鐘，以去除有機(jī)物、雜質(zhì)等。將基本清洗干凈后、用氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

然后用粒子濺射儀在硅太陽(yáng)能電池基片上濺射一層薄膜，通過(guò)濺射時(shí)間控制薄膜厚度。蒸金時(shí)間為10s

啟動(dòng)快速退火爐，將蒸有金屬薄膜的基片放置于載盤上。分別設(shè)置退火溫度為400℃ ，500℃ ，600℃ 退火溫度（參見(jiàn)圖2-4）。納米粒子隨著退火溫度增加而粒徑增大，通過(guò)退火溫度控制納米粒子的大小。