本發(fā)明屬于微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的制備領(lǐng)域。特別地，涉及一種電化學(xué)腐蝕法制備微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的方法，以及該制備方法中運(yùn)用的精密位移臺(tái)。

背景技術(shù)：

微納米金屬錐結(jié)構(gòu)通過引導(dǎo)表面等離激元向錐尖方向傳播，并在金屬納米錐尖附近聚焦，使得金屬納米錐尖附近的電磁場被極大地增強(qiáng)并束縛在幾十納米的范圍內(nèi)，以此方式可以解決諸多光學(xué)領(lǐng)域難題，例如：突破光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)光路的高密度集成等。這對(duì)于提高分子的發(fā)光效率，進(jìn)而提高拉曼散射、掃描近場顯微鏡的空間分辨率有重要的作用，另外在單分子成像、熱輔助磁記錄、納米傳感、納米成像、納米光刻和納米操縱等方面也有著很廣闊的應(yīng)用前景。目前研究表明，非線性邊緣的微納米金屬錐結(jié)構(gòu)中，光到表面等離激元的轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)高于線性微納米金屬錐結(jié)構(gòu)，因此實(shí)現(xiàn)非線性微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的制備非常重要。

目前在進(jìn)行微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的加工制造時(shí)，常采用離子束刻蝕、離子注入輔助納米加工、多光子納米加工技術(shù)等方法，但是包括離子束刻蝕技術(shù)在內(nèi)，它們本身擁有著操作難度大，制造成本高的特點(diǎn)，導(dǎo)致最終的器件成本的提高。對(duì)于完全以電化學(xué)腐蝕技術(shù)為核心的微納米加工工藝，目前并沒有得到很好的應(yīng)用。

另外，通過運(yùn)用不同的化學(xué)反應(yīng)原理，更換不同的腐蝕液，控制不同的電壓，腐蝕液濃度和腐蝕時(shí)間，該方法可以對(duì)多種金屬進(jìn)行微納米加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是運(yùn)用電化學(xué)腐蝕法，以低成本，高效率的特點(diǎn)進(jìn)行多節(jié)的線性或非線性微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的加工。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明需要進(jìn)行加工金屬材料的選擇、腐蝕液的選擇以及特殊的實(shí)驗(yàn)操作步驟：

金屬絲純度的選擇要求：必須為99.9999％及以上純度的，直徑為1mm及以內(nèi)的金屬絲，金屬材料可以為鋁，鈦，銅，鎢，銀，金等。

在確定所要加工的金屬種類和純度之后，對(duì)于電化學(xué)腐蝕中電解液的選擇，可以是氫氧化鈉溶液，高氯酸溶液，氨水等。溶液與金屬的匹配原則應(yīng)該遵循以下幾個(gè)方面：

(1)電解液要保證透明，以便在腐蝕過程中觀察金屬的腐蝕情況。

(2)電解液本身的氧化性不能過高，以免在腐蝕過程中金屬絲表面生成氧化物，影響進(jìn)一步腐蝕。

(3)化學(xué)反應(yīng)過程中不能夠有固體物質(zhì)生成，以免破壞制得的金屬錐尖。

(4)在未接入電源時(shí)，電解液與金屬絲的反應(yīng)必須緩慢，接入電源以后可以看到明顯的反應(yīng)現(xiàn)象。

(5)關(guān)于電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控制，應(yīng)在接通電源構(gòu)成閉合回路后，在能夠看到反應(yīng)現(xiàn)象的前提下，盡量保證反應(yīng)速度較慢，便于控制時(shí)間以達(dá)到某種特定的腐蝕效果。

實(shí)驗(yàn)過程概述：在記錄金屬絲完全腐蝕所用的時(shí)間以后，將總時(shí)間合理地分配為3至4份，再重新插入一定長度的金屬絲，以每部分時(shí)間作為腐蝕時(shí)間，到達(dá)該段時(shí)間后，繼續(xù)抬升金屬絲，進(jìn)行下一段時(shí)間的腐蝕，最終形成“節(jié)狀”的腐蝕結(jié)果，在最尖端會(huì)形成微納米金屬錐結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)驗(yàn)操作過程：

(1)首先配置預(yù)選好的電解液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在10％至20％之間。放置在大燒杯中待用。

(2)將筆直的金屬絲夾持在精密位移臺(tái)上，用試管夾夾緊鉑電極，放入空的小燒杯中，保持懸空狀態(tài)。

(3)在關(guān)閉直流穩(wěn)壓源的情況下連接電路，如圖1(a)所示。金屬絲的上端連接至電源的正極，鉑片連接至電源的負(fù)極。

(4)旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，抬升夾持金屬絲的夾持器，使其與空燒杯口平齊。降低夾持鉑電極的試管夾，使鉑電極的底端即將接觸空燒杯底部。向小燒杯中倒入電解液，在倒入過程中要保證電解液與金屬絲未發(fā)生接觸。

(5)待液面無氣泡且平靜以后，旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，使金屬絲底端緩慢降低至深入液面約5mm，同時(shí)打開電源開關(guān)，用秒表計(jì)時(shí)，待直流穩(wěn)壓電源電流示數(shù)為零時(shí)，即為金屬絲完全被腐蝕，記錄金屬絲被完全腐蝕所用的時(shí)間t1。

(6)關(guān)閉電源輸出開關(guān)，旋轉(zhuǎn)縱向微調(diào)旋鈕，使金屬絲底端深入至液面以下2mm，同時(shí)打開電源輸出開關(guān)，腐蝕約時(shí)，立即關(guān)閉電源開關(guān)，調(diào)節(jié)縱向微調(diào)旋鈕，將金屬絲抬升1mm，同時(shí)打開電源開關(guān)，腐蝕時(shí)，立即關(guān)閉電源開關(guān)，調(diào)節(jié)縱向微調(diào)旋鈕，將金屬絲抬升900μm，同時(shí)打開電源開關(guān)，腐蝕在此段腐蝕過程中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，緩慢旋轉(zhuǎn)縱向微調(diào)旋鈕抬升金屬絲直至電源電流示數(shù)為零，腐蝕結(jié)束。

(7)旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，使金屬絲遠(yuǎn)離電解液面，小心取下金屬絲，切記不可使金屬絲尖端觸碰任何物體，緩慢深入去離子水中進(jìn)行清洗。將參與腐蝕的部分剪下，在掃描電子顯微鏡下觀察金屬錐結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

用本方法腐蝕出的線性和非線性的金屬錐表面平整度均很高，每一個(gè)金屬錐的制造成本很低——低于10元人民幣。得到的金屬錐形狀符合預(yù)期，可以直接在下一步的實(shí)驗(yàn)中得到利用。

另外，該操作方式以電化學(xué)腐蝕為核心，在微納米結(jié)構(gòu)的加工上擁有成本極低，制作效率極高的優(yōu)點(diǎn)，可用于制作掃描近場顯微鏡、原子力顯微鏡中的探針，還可用于單分子成像、熱輔助磁記錄、納米傳感、納米成像、納米光刻和納米操縱等實(shí)驗(yàn)中微納米結(jié)構(gòu)的加工。

附圖說明

圖1是實(shí)驗(yàn)器件結(jié)構(gòu)示意圖。其中：圖(a)為實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖，其中每個(gè)部分分別表示：1縱向調(diào)節(jié)旋鈕，2精密位移臺(tái)，3待腐蝕金屬絲，4電解液，5鉑電極，6直流穩(wěn)壓電源，7橫向微調(diào)旋鈕，8縱向微調(diào)旋鈕；圖(b)為實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置拍照?qǐng)D。

圖2是以鋁絲為金屬絲，電解液選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.65％的naoh溶液，在15v的直流穩(wěn)壓電源下電解腐蝕出的線性邊緣的金屬鋁錐尖在sem下的線度測量圖。其中：圖(a)為“節(jié)狀”金屬絲尖端腐蝕結(jié)果圖；圖(b)為錐尖放大圖。

圖3是以鋁絲為金屬絲，電解液選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的naoh溶液，在15v的直流穩(wěn)壓電源下電解腐蝕出的非線性邊緣的金屬鋁錐尖在sem下的線度測量圖。其中：圖(a)為“節(jié)狀”金屬絲尖端腐蝕結(jié)果圖；圖(b)為錐尖放大圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

以下結(jié)合附圖，以制作多節(jié)非線性的鋁納米金屬鋁錐為例進(jìn)行詳細(xì)說明：

鋁金屬絲的純度為99.9999％，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.65％的naoh溶液。操作過程如下：

首先配置naoh電解液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.65％。放置在大燒杯中待用。

將筆直的鋁金屬絲夾持在精密位移臺(tái)上，用試管夾夾緊鉑電極，放入空的小燒杯中，保持懸空狀態(tài)。

在關(guān)閉直流穩(wěn)壓源的情況下連接電路，如圖1(a)所示。鋁金屬絲的上端連接至電源的正極，鉑片連接至電源的負(fù)極。

旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，抬升夾持鋁金屬絲的夾持器，使其與空燒杯口平齊。降低夾持鉑電極的試管夾，使鉑電極的底端即將接觸空燒杯底部。向小燒杯中倒入電解液，在倒入過程中要保證電解液與金屬絲未發(fā)生接觸。

待液面無氣泡且平靜以后，旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，使鋁金屬絲底端緩慢降低至深入液面約5mm，同時(shí)打開電源開關(guān)，用秒表計(jì)時(shí)，待直流穩(wěn)壓電源電流示數(shù)為零時(shí)，即為金屬絲完全被腐蝕，記錄金屬絲被完全腐蝕所用的時(shí)間為3分01秒。

關(guān)閉電源輸出開關(guān)，旋轉(zhuǎn)縱向微調(diào)旋鈕，使金屬絲底端深入至液面以下2mm，同時(shí)打開電源輸出開關(guān)，腐蝕90s時(shí)，立即關(guān)閉電源開關(guān)，調(diào)節(jié)縱向微調(diào)旋鈕，將金屬絲抬升1mm，同時(shí)打開電源開關(guān)，腐蝕30s時(shí)，立即關(guān)閉電源開關(guān)，調(diào)節(jié)縱向微調(diào)旋鈕，將金屬絲抬升900μm，同時(shí)打開電源開關(guān)，腐蝕30s。在此段腐蝕過程中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，緩慢旋轉(zhuǎn)縱向微調(diào)旋鈕抬升金屬絲直至電源電流示數(shù)為零，腐蝕結(jié)束。

旋轉(zhuǎn)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，使鋁金屬絲遠(yuǎn)離電解液面，小心取下金屬絲，切記不可使鋁金屬絲尖端觸碰任何物體，緩慢深入去離子水中進(jìn)行清洗。將參與腐蝕的部分剪下，在掃描電子顯微鏡下觀察節(jié)狀金屬錐結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。圖2(b)為放大倍數(shù)為×1000的錐尖放大圖，該圖顯示，錐尖橫向線度已經(jīng)達(dá)到了約200nm。

在本次電化學(xué)腐蝕過程中，鋁絲作為陽極，鉑片作為陰極。其化學(xué)反應(yīng)式為：

陰極反應(yīng)：6h2o+6e^-＝3h2(g)+6oh^-

陽極反應(yīng)：2al+8oh^-＝2alo2^-+4h2o+6e^-

總反應(yīng)：2al+2h2o+2oh^-＝2alo2^-+3h2(g)

使用精密位移臺(tái)，主要是為了更好地縱向控制金屬絲的腐蝕，實(shí)現(xiàn)可控制腐蝕線度的電化學(xué)腐蝕，為進(jìn)行高精度非線性納米金屬錐的加工奠定基礎(chǔ)。

在進(jìn)行最后一段腐蝕的過程中，如果固定腐蝕，則會(huì)得到線性的微納米金屬錐結(jié)構(gòu)。圖3(a)為放大倍數(shù)為×2000的線性金屬錐結(jié)構(gòu)圖，其表面情況和線度均非常理想。圖3(b)為放大倍數(shù)為×10000的線形金屬錐結(jié)構(gòu)圖，該圖顯示，其錐尖部分直徑已經(jīng)達(dá)到了1μm以內(nèi)。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)通過合理地選擇金屬絲材料，匹配合適的電解液，實(shí)現(xiàn)高精度的線性和非線性微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的制備。制備成本極低，制備效率極高。

本實(shí)例所述僅為腐蝕鋁材料金屬錐的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不限制其他材料的微納米金屬錐結(jié)構(gòu)的制備。對(duì)于本加工領(lǐng)域而言，此項(xiàng)發(fā)明可以適用于絕大部分常見金屬的微納米錐結(jié)構(gòu)加工。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。