利用纳米压印技术制备图案化的金属纳米阵列结构及其性质研究

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图案化的金属纳米阵列结构在表面等离子体共振(Surface Plasmon resonce,SPR)传感器、太阳能电池等光伏器件中有广泛的应用。本论文利用纳米压印技术(NanoimprintLithography,NIL)结合磁控溅射蒸发镀膜技术,制备了大面积、有序的图案化金属纳米阵列结构。制备的金纳米半球阵列的结构参数(半球直径、半球与半球之间的间距、表面粗糙度)可控。更有意义的是,我们成功的在柔性基底上制备了金纳米半球阵列结构的反型结构:金纳米碗状阵列结构。对制备的金属纳米半球阵列结构进行了表面拉曼增强散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)测试,均具有很强的SERS特性。本论文所采用的的纳米压印技术不仅可以用来制备金属的图案化纳米结构,而且可以扩展到制备半导体与金属复合的图案化纳米阵列结构,为各种材料纳米结构的图案化构筑提供了可能。主要研究内容分为以下三个部分:1、利用本课题组自制的直径为628nm的聚苯乙烯(Polystyrene microspheres,PS)微球,通过液面自组装技术,得到面积为2cm×2cm的纳米碗(直径为426nm)阵列结构的聚二甲基硅氧烷(Polydimethyl meth siloxane,PDMS)印章,即为纳米压印模板。廉价、简便的解决了纳米压印过程中模板的问题。然后结合NIL和磁控溅射蒸发镀膜技术,得到有序的金属(Ag和Au)纳米阵列结构。通过控制反应离子束刻蚀(Reactive IonEtching,RIE)刻蚀聚合物纳米半球的时间,制备得到了不同几何参数的Au纳米半球阵列结构。利用剥离技术,成功的将金半球型的纳米结构阵列转移到柔性的基底上,得到了面积为2cm×2cm反型的金纳米碗阵列结构。2、罗丹明6G(R6G)作为拉曼检测分子,检测制备的金属纳米阵列结构的表面拉曼增强特性。研究结果表明,银纳米半球阵列结构的SERS谱与常规的R6G的拉曼光谱相比,出现了新的峰位。通过调节RIE刻蚀聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)纳米半球阵列结构的时间,制备纳米半球之间的间距、粗糙度、直径参数不同的Au纳米半球阵列结构。透射峰显示,随着刻蚀时间的增加,Au纳米半球阵列结构的等离子体效应引起的透射峰位从672nm红移到了775nm。同时我们在刻蚀时间为40s的样品上得到了最强的SERS特性。而且,在柔性基底上的金纳米碗(直径为460nm)阵列结构也具有信噪比较好的拉曼增强光谱,显示了较好的SERS特性。3、在Au纳米半球阵列表面溅射ZnO种子层,通过不同时间的水热生长条件,得到不同的Au/ZnO纳米棒的复合结构。场发射扫描(FESEM)图片显示,随着水热时间的增加,ZnO纳米棒的长度也相应的增加。X射线衍射(XRD)表征结果表明ZnO沿(002)方向具有高度取向性。光致发光谱显示其在420nm、460nm、490nm处存在峰,表明ZnO纳米棒表面存在着许多的缺陷态。进一步的I-V测试结果显示Au与ZnO纳米棒之间是肖特基接触。光催化测试结果显示,氧化锌纳米棒对亚甲基蓝的降解速率有明显的提高,但是引入金纳米结构后没有明显的提高,初步分析原因为ZnO纳米棒生长过长,图案化结构不明显所致。
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