專利名稱：一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法。
技術(shù)背景目前，納米顆粒材料已成為納米材料的重要組成部分。納米球自組裝技術(shù)在近年來得到 廣泛研究，它是一種價(jià)廉而且具有并行處理能力的技術(shù)。其主要工藝是將具有相同大小和形 狀(通常是球形)的膠粒排布在經(jīng)過處理的具有良好親水性的平整基片上,一般情況下,這些膠 粒在基片表面上是隨機(jī)排布的，按照勢能最小原理， 一般組合形成六邊形排布，也有報(bào)道用大 小不同的納米球混合組裝后形成大小球混合排布，或者通過去掉小球后形成大球的四邊形排 布的各種方法?；蛘卟捎枚鄬蛹{米球組裝后，形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。也有報(bào)道用圓柱形、方形、 三角形的孔作為模板的輔助自組裝方法，利用與溝槽大小成一定比例的納米粒子，可以將其 排列成為梅花狀、四邊形、三角形等形狀。上述各種方法都相對(duì)比較復(fù)雜，加工工序較多。 并且大都是針對(duì)多個(gè)納米球集合排布的，對(duì)單列納米球的排布未見有相關(guān)的研究方法報(bào)道。近年來，隨著微納加工技術(shù)、納米材料和近場顯微測試技術(shù)的迅速發(fā)展，加州理工學(xué)院 Edwards等[NatureMaterials2，229-232]提出了基于表面等離子體的金屬納米波導(dǎo)的概念，實(shí)現(xiàn) 了在納米量級(jí)尺度上傳輸可見光信號(hào)。這種具有重要應(yīng)用前景的突破衍射極限可在遠(yuǎn)小于波 長的空間尺度上傳輸電磁信號(hào)的新技術(shù)，需要研究不同大小、不同排布方式的單列金屬納米 粒子之間的耦合模式、能量分配、轉(zhuǎn)彎性能等，這就給納米粒子制備技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。 另外生化傳感對(duì)各種排布的納米粒子間的電磁特性需要開展深入研究，以獲得更高的傳感靈 敏度；如何能實(shí)現(xiàn)單列特定排布的納米球排布成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，可以實(shí) 現(xiàn)所需的特定納米球排布，為納米波導(dǎo)等需要研究單列金屬粒子的直角轉(zhuǎn)彎性能、分支能量 分布以及歐姆衰減、光模式與非輻射模的轉(zhuǎn)換提供了條件和技術(shù)支撐，為研究如何在在納米 尺度實(shí)現(xiàn)光電集成回路開辟了新的道路。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方 法，其特征在于首先選擇基底；然后在其表面制作出引導(dǎo)溝槽；對(duì)基底進(jìn)行親水化處理， 涂敷納米球，采用自組裝并通過溝槽的約束、引導(dǎo)在基底上排列納米球，實(shí)現(xiàn)與溝槽的形狀 一致的單列納米球排布。所述的基底為石英、或K9、或硅、或硒化鋅、或鍺材料。所述的納米球是玻璃球、或聚苯乙烯微球、或聚合物微球，納米球直徑為20nm-8000nm。 所述的溝槽寬度和深度小于，或等于，或略大于納米球直徑。所述的溝槽剖面根據(jù)使用的具體要求可以為矩形槽，或圓形，或梯形槽，或V形槽，或 燕尾形槽； 一方面，對(duì)槽的加工要求不高，可以采用多種方法實(shí)現(xiàn)；另一方面不同形狀的溝 槽對(duì)納米球的穩(wěn)定性影響大。所述的溝槽外形可以是直線，或曲線、或三角形，或多邊形，或上述圖形的組合，可以 實(shí)現(xiàn)不同形狀的排布方式，滿足不同的應(yīng)用需求。所述的溝槽口徑可以一致、或呈由小到大變化、或呈由大到小變化滿足不同的應(yīng)用需求。所述的溝槽是通過電子束、干涉光刻經(jīng)干法或濕法腐蝕后形成，或是聚焦粒子束直接制 作，或是用納米壓印的方法復(fù)制得到，或是用機(jī)械加工的方法制作。所述的溝槽可以通過分區(qū)控制實(shí)現(xiàn)多通道單列納米球自組裝，分區(qū)既可相通，也可分立， 用以實(shí)現(xiàn)需求的多種獨(dú)立、組合排布。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明所采用的方法不需要復(fù)雜設(shè)備，具有成 本低、效率高、工藝簡單等顯著特點(diǎn)，是一種有效的單列納米球自組裝技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)特定排 布的納米金屬顆粒制作提供了一種簡單實(shí)用的新方法。通過本發(fā)明的方法所獲得的納米球排 布為納米波導(dǎo)等需要研究單列金屬粒子的直角轉(zhuǎn)彎性能、分支能量分布以及歐姆衰減、光模 式與非輻射模的轉(zhuǎn)換提供了條件和技術(shù)支撐，為研究如何在納米尺度實(shí)現(xiàn)光電集成回路開辟了新的道路。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中采用寬度略小于納米球的矩形溝槽引導(dǎo)法控制納米球排布的剖 面圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中采用外形為環(huán)形的溝槽引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)納米球的環(huán)形排布的示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例2中采用V形溝槽引導(dǎo)控制納米球排布的剖面圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中采用外形為三角形的溝槽引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)納米球三角形排布的示意圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例3中采用圓形溝槽引導(dǎo)控制納米球排布的剖面圖； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例3中采用外形為五邊形的溝槽引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)納米球五邊形排布的示意圖； 圖7是本發(fā)明實(shí)施例4中采用寬度不同的溝槽組合引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)大小不同的納米球特定混合
排布的示意圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例5中實(shí)現(xiàn)的直角拐彎狀納米球排布掃描電鏡照片；圖9是本發(fā)明實(shí)施例5中利用溝槽引導(dǎo)法實(shí)現(xiàn)的納米球，經(jīng)金屬化后用于納米波導(dǎo)直角 轉(zhuǎn)彎性能、分支性能研究示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。實(shí)施例l，實(shí)現(xiàn)環(huán)狀分布的單列納米球排布。首先采用拋光硅酸鹽玻璃片作為基板，用電子束光刻經(jīng)干法刻蝕后形成外形為環(huán)狀，剖 面寬約為600nm，槽深為400nm的矩形槽，并用化學(xué)方法對(duì)基板進(jìn)行親水化處理，然后將濃 度為3%，直徑為800nm的單分散聚苯乙烯納米球水溶膠0.5^1均勻涂布在玻璃基底表面，使 溶劑緩慢蒸發(fā)，去除基片表面附著的納米膠體球后，在環(huán)狀分布的矩形槽內(nèi)形成納米球陣列。 剖面圖如圖l所示，外形圖如圖2所示。實(shí)施例2，實(shí)現(xiàn)外形為三角形分布的單列納米球排布。采用K9玻璃為基底，采用干涉光刻的方法形成三角形分布的線條，再用HF對(duì)其進(jìn)行腐 蝕，由于各方向腐蝕輸率不一致，最后在K9玻璃基底上得到口徑為50nm，槽深70nm的V 形開口槽，并對(duì)基底進(jìn)行親水處理，然后將濃度為1%，直徑為50nm的聚苯乙烯納米微球水 溶膠0.5^1均勻涂布在玻璃基底表面，使溶劑緩慢蒸發(fā)，去除基片表面附著的納米膠體球后， 在三角形分布的V形槽內(nèi)形成50nm的納米球陣列，剖面圖如圖3所示，外形圖如圖4所示。實(shí)施例3，實(shí)現(xiàn)外形為五邊形分布的單列納米球排布。采用融石英為基底，采用機(jī)械加工的方法制作口徑為8000nm，剖面為半圓形的溝槽，然 后對(duì)基底進(jìn)行親水處理，然后將濃度為1%，直徑為7000nm的硼硅酸鹽玻璃球水溶膠2.5pl均 勻涂布在基底表面，使溶劑緩慢蒸發(fā)，去除基片表面附著的納米球后，在外形為五角形分布 剖面為圓形的槽內(nèi)形成球陣列，剖面圖如圖5所示，外形圖如圖6所示。實(shí)施例4，實(shí)現(xiàn)口徑500nm、 550nm、 600nm和250nm的納米球混合排布。 采甩硒化鋅材料作為基底，采用聚焦離子束直接加工的方法，獲得如圖7所示的連通圖案， 中間為口徑250nm的槽， 一端是口徑為500nm的槽，另外一端是喇叭型開口槽，槽寬從500nm 逐漸增大到600nm。槽深與口徑相當(dāng)，取直徑500nm、 550nm、 600nm濃度2。/。的單分散聚苯乙 烯納米球水溶膠各lml和直徑250nm、濃度l。/。的單分散聚苯乙烯納米球水溶膠0.2ml用超聲波 混合，把配好的混合聚苯乙烯納米球水溶膠取5^滴到玻璃基板表面進(jìn)行自組裝，室溫干燥后 得到特殊排列的納米球結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例采用寬度不同溝槽組合，引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)大小不同的納米球
特定混合排布；外形圖如圖7所示。實(shí)施例5，實(shí)現(xiàn)兩種分立納米波導(dǎo)粒子的制作。選用硅材料作為基底，采用納米壓印的方法獲得兩組分立的槽， 一個(gè)是口徑為100nm的 梯形直角拐彎槽，另一個(gè)是口徑800nm的倒"T"字形排布槽，槽深與口徑相當(dāng)。取直徑100nm、 濃度2。/。的單分散聚苯乙烯納米球水溶膠lml和直徑800nm、濃度1%的單分散聚苯乙烯納米球 水溶膠0.2ml用超聲波混合，把配好的混合聚苯乙烯納米球水溶膠取5nl滴到玻璃基板表面進(jìn)行 自組裝，室溫干燥后得到特殊排列的納米球結(jié)構(gòu)。直角拐彎槽內(nèi)的納米球排布的掃描電鏡照 片如圖8所示。然后，對(duì)其進(jìn)行金屬化，得到金屬納米粒子，可采用制作的這一結(jié)構(gòu)分別對(duì)納 米波導(dǎo)的直角轉(zhuǎn)彎特性和分支結(jié)構(gòu)的能量分配特性進(jìn)行研究。倒"T"字形排布納米微粒研究示 意圖如圖9所示。
權(quán)利要求
1、一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，其特征在于首先選擇基底；然后在其表面制作出引導(dǎo)溝槽；對(duì)基底進(jìn)行親水化處理，涂敷納米球，采用自組裝并通過溝槽的約束、引導(dǎo)在基底上排列納米球，實(shí)現(xiàn)與溝槽的形狀一致的單列納米球排布。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，其特征在于所 述的基底為石英、或K9、或硅、或硒化鋅、或鍺材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，'其特征在于所 述的納米球是玻璃球、或聚苯乙烯微球、或聚合物微球，納米球直徑為20nm-8000nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，其特征在于所 述的溝槽寬度和深度小于，或等于，或略大于納米球直徑。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，其特征在于所述的溝槽剖面是矩形槽，或圓形，或梯形槽，或v形槽，或燕尾形槽。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，其特征在于所述的溝槽外形可以是直線，或曲線、或三角形，或多邊形，或上述圖形的組合。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，其特征在于所述的溝槽口徑可以一致、或呈由小到大變化、或呈由大到小變化滿足不同的應(yīng)用需求。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，其特征在于所 述的溝槽是通過電子束、干涉光刻經(jīng)干法或濕法腐蝕后形成，或是聚焦粒子束直接制作，或 是用納米壓印的方法復(fù)制得到，或是用機(jī)械加工的方法制作。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，其特征在于所 述的溝槽可以通過分區(qū)控制實(shí)現(xiàn)多通道單列納米球自組裝，分區(qū)既可相通，也可分立，用以 實(shí)現(xiàn)需求的多種獨(dú)立、組合排布。
全文摘要
本發(fā)明公開一種利用溝槽引導(dǎo)的單列納米球自組裝方法，其特征在于首先選擇基底；然后在其表面制作出引導(dǎo)溝槽；對(duì)基底進(jìn)行親水化處理，涂敷納米球，采用自組裝并通過溝槽的約束、引導(dǎo)在基底上排列納米球，實(shí)現(xiàn)與溝槽的形狀一致的單列納米球排布；同時(shí)還可以通過溝槽進(jìn)行分區(qū)，使得在不同的位置實(shí)現(xiàn)不同的納米球組裝，分區(qū)既可相通，也可分立，實(shí)現(xiàn)多種組合排布；本發(fā)明所采用的方法不需要復(fù)雜設(shè)備，具有成本低、效率高、工藝簡單等顯著特點(diǎn)，是一種有效的單列納米球自組裝方法，為實(shí)現(xiàn)特定排布的納米金屬顆粒制作提供了一種簡單實(shí)用的新方法。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101391745SQ20081022547
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者杜春雷, 鄧啟凌 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所