利用ps微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法。目前的金屬納米孔陣列制備工藝，設(shè)備要求苛刻、成本較高，或需對模板形貌進行前期研發(fā)、耗時較長。本發(fā)明通過蒸發(fā)沉積法在金屬表面自組裝PS微球，然后以其為模板，利用電化學(xué)沉積法在PS微球模板間隙鍍銀，最后使用有機溶劑除去PS微球模板實現(xiàn)金屬表面銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。本發(fā)明可操作性強，所構(gòu)造的銀膜陷阱結(jié)構(gòu)晶體質(zhì)量高，無雜質(zhì)殘留，同時，金屬表面自組裝PS微球的工藝簡單，可重復(fù)性強，可將金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)降低25%以上。
【專利說明】利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，具體涉及一種利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銀膜陷阱結(jié)構(gòu)，通俗地講就是在金屬銀薄膜表面所構(gòu)筑出的納米級多孔結(jié)構(gòu)，SP所謂的納米孔陣列結(jié)構(gòu)。利用金屬納米孔陣列結(jié)構(gòu)能夠有效激發(fā)并調(diào)節(jié)金屬表面等離子體共振(SPR)現(xiàn)象，從而激發(fā)出一些特殊的光學(xué)效應(yīng)，諸如超強光透射效應(yīng)(EOT)、表面拉曼增強效應(yīng)(SERS)、表面增強熒光效應(yīng)(SEFS)，可以在生化檢測傳感器、納米光學(xué)器件以及太陽能電池等方面發(fā)揮應(yīng)用。
[0003]目前，關(guān)于不同形貌金屬納米孔陣列的制備工藝很多，主要可分為刻蝕法和模板法。其中，刻蝕法中比較有代表性的有聚焦離子束刻蝕(FIB)和電子束刻蝕(EBL)，它主要是利用高能離子束或電子束直接在樣品表面刻蝕出所需要的孔洞結(jié)構(gòu)。采用刻蝕法制備納米孔陣列結(jié)構(gòu)具有重現(xiàn)性好、并能很好地控制納米孔的大小和形貌等優(yōu)勢，在光學(xué)分析材料和生物傳感器的制備中發(fā)揮了重要的作用。但是該方法也存在著對設(shè)備要求苛刻、成本高、刻蝕時間長的缺點，限制了其在大規(guī)模制備納米孔陣列中的應(yīng)用。采用模板法制備金屬納米孔陣列，主要是利用具有一定周期排列和形貌的納米球或圖案化的聚合物掩膜作模板，通過一定的沉積技術(shù)或刻蝕方法在模板空隙沉積金屬或進行刻蝕并除去模板，最終得至IJ具有一定形貌、尺寸和周期排列的納米孔結(jié)構(gòu)。其中，模板法比較常用的是納米球刻蝕技術(shù)(NSL)和納米壓印技術(shù)(NIL)。模板法工藝簡單，大大提高了樣品表面孔隙率且造價相對低廉，在一定程度上彌補了刻蝕法在納米孔陣列制備方面的不足，但該方法同時也存在著需要事先對模板的形貌和尺寸進行系統(tǒng)的研究和設(shè)計、消耗時間長等問題，在實踐中亟需尋找一種方便、快捷的模板制備方法以提高生產(chǎn)效率。
[0004]另外，化學(xué)溶液腐蝕的方法也有出現(xiàn)，將鍍銀鋁合金樣片在酸性電解液中進行陽極氧化處理，在樣片表面形成多孔結(jié)構(gòu)，然后利用化學(xué)溶液腐蝕的方法增大孔的口徑，再在孔的內(nèi)表面濺射一層導(dǎo)電性好的金或銀，最終形成納米孔陣列結(jié)構(gòu)。使用電化學(xué)腐蝕的方法在樣片表面刻蝕出多孔結(jié)構(gòu)，相對于采用高能離子束或電子束刻蝕，具有設(shè)備簡單，成本低，實施方便等優(yōu)勢。但電化學(xué)腐蝕往往是沿著被腐蝕材料的晶界表面進行，而一般的金屬材料本身都是各向異性的，故采用該方法刻蝕出來的納米孔陣列結(jié)構(gòu)也將表現(xiàn)出各向異性，不能很好控制所形成納米孔陣列結(jié)構(gòu)的尺寸和分布均勻性。
[0005]依次通過超聲清洗、旋轉(zhuǎn)涂膠、烘烤、曝光、烘烤、顯影處理以及刻蝕液刻蝕等操作，也可實現(xiàn)微波部件表面規(guī)則納米孔陣列結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，但該方法采用圖案化的光刻膠作模板對微波部件進行選擇性刻蝕，操作程序較多，且刻蝕過程同樣不可控，不能很好控制所形成納米孔陣列結(jié)構(gòu)的尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，能有效提高金屬表面的孔隙率和深寬比，可用于抑制金屬表面二次電子發(fā)射。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:
由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:稱取PS微球，將其加入無水乙醇-水混合溶液中，超聲分散30min后制得PS微球分散液；然后，取兩塊金屬樣片固定于40X 25mm的稱量瓶中，加入配制好的PS微球分散液至恰好淹沒樣片；最后，將整個裝置置于烘箱中待液體蒸發(fā)干，取出樣片，使用蒸餾水沖洗干凈后100°C烘干，即得表面負(fù)載有PS微球的樣片；
步驟二:將表面負(fù)載有PS微球的樣片作為工作電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陰極；另取等面積的銀箔作為犧牲電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陽極，在恒壓條件下進行鍍銀；鍍銀完畢后，采用有機溶劑對樣片進行腐蝕處理，然后清洗、干燥，即可在金屬樣片表面構(gòu)筑出銀膜陷阱結(jié)構(gòu)。
[0008]步驟一中，PS微球的直徑為500nm，PS微球分散液的質(zhì)量濃度為0.01%_0.05%。
[0009]步驟一中，無水乙醇-水混合溶液中無水乙醇與去離子水的體積比為3:7-10:0。
[0010]步驟一中，金屬樣片的尺寸為24X12Xlmm，兩塊樣片沿12mm的邊對接，并呈90°，夾角固定于40 X 25mm的稱量瓶中。
[0011]步驟一中，烘箱的蒸發(fā)溫度為25-85°C。
[0012]步驟二中，采用0.5-1.0V的沉積電壓進行鍍銀，鍍銀時間為10-20min，間隔IOmin后，進行第二次鍍銀，第二次鍍銀時間為0-20min，鍍銀的電解液為硝酸銀的無水乙醇-水溶液，硝酸銀的質(zhì)量濃度為1.16g/L，無水乙醇與去離子水的體積比為1:1-4:1。
[0013]步驟二中，有機溶劑選自四氫呋喃、四氯甲烷，腐蝕處理時間為3小時。
[0014]步驟二中，鍍銀兩電極間的垂直距離為1.0-3.0cm0
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(I)本發(fā)明采用蒸發(fā)沉積法在金屬表面自組裝PS微球，工藝簡單，成本低，可重復(fù)性強，便于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0016](2)本發(fā)明以PS微球為模板構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)，晶體質(zhì)量高，無雜質(zhì)殘留，當(dāng)用于抑制金屬表面二次電子發(fā)射時，能夠有效地將金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)降低25%以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為金屬樣片表面自組裝PS微球后的SEM圖；
圖2為在PS微球模板間隙鍍銀后的SEM圖；
圖3為除去PS微球模板后得到的銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的SEM圖；
圖4為以鍍銀鋁合金樣片為襯底構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)前、后的XRD圖；
圖5為鍍銀鋁合金樣片表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)后的SEY特性曲線，其中，一號點、二號點、三號點分別指樣片表面隨機的三個不同的測試點。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細(xì)的說明。[0019]本發(fā)明所涉及的利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:稱取PS微球，將其加入無水乙醇-水混合溶液中，超聲分散30min后制得PS微球分散液；然后，取兩塊金屬樣片固定于40X25mm的稱量瓶中，加入配制好的PS微球分散液至恰好淹沒樣片；最后，將整個裝置置于烘箱中待液體蒸發(fā)干，取出樣片，使用蒸餾水沖洗干凈后100°C烘干，即得表面負(fù)載有PS微球的樣片。
[0020]步驟一中:
PS微球的直徑為500nm，PS微球分散液的質(zhì)量濃度為0.01%_0.05% ；
無水乙醇-水混合溶液中無水乙醇與去離子水的體積比為3:7-10:0 ；
金屬樣片的尺寸為24X12Xlmm，兩塊樣片沿12mm的邊對接，并呈90°，夾角固定于40 X 25mm的稱量瓶中；
烘箱的蒸發(fā)溫度為25-85°C。
[0021]步驟二:將表面負(fù)載有PS微球的樣片作為工作電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陰極；另取等面積的銀箔作為犧牲電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陽極，在恒壓條件下進行鍍銀；鍍銀完畢后，采用有機溶劑對樣片進行腐蝕處理，然后清洗、干燥，即可在金屬樣片表面構(gòu)筑出銀膜陷阱結(jié)構(gòu)。
[0022]步驟二中:
采用0.5-1.0V的沉積電壓進行鍍銀,鍍銀時間為10-20min,間隔IOmin后,進行第二次鍍銀，第二次鍍銀時間為0-20min，鍍銀的電解液為硝酸銀的無水乙醇-水溶液，硝酸銀的質(zhì)量濃度為1.16g/L，無水乙醇與去離子水的體積比為1:1-4:1 ；
有機溶劑選自四氫呋喃、四氯甲烷，腐蝕處理時間為3小時；
鍍銀兩電極間的垂直距離為1.0-3.0cm0
[0023]實施例1:
步驟一:稱取PS微球，將其加入無水乙醇-水混合溶液中，超聲分散30min后制得PS微球分散液；然后，取兩塊金屬樣片固定于40X 25mm的稱量瓶中，加入配制好的PS微球分散液至恰好淹沒樣片；最后，將整個裝置置于烘箱中待液體蒸發(fā)干，取出樣片，使用蒸餾水沖洗干凈后100°C烘干，即得表面負(fù)載有PS微球的樣片。
[0024]步驟一中:
PS微球的直徑為500nm，PS微球分散液的質(zhì)量濃度為0.01%% ；
無水乙醇-水混合溶液中無水乙醇與去離子水的體積比為3:7 ；
金屬樣片的尺寸為24X12Xlmm，兩塊樣片沿12mm的邊對接，并呈90°，夾角固定于40 X 25mm的稱量瓶中；
烘箱的蒸發(fā)溫度為25°C。
[0025]步驟二:將表面負(fù)載有PS微球的樣片作為工作電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陰極；另取等面積的銀箔作為犧牲電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陽極，在恒壓條件下進行鍍銀；鍍銀完畢后，采用有機溶劑對樣片進行腐蝕處理，然后清洗、干燥，即可在金屬樣片表面構(gòu)筑出銀膜陷阱結(jié)構(gòu)。
[0026]步驟二中:
采用0.5V的沉積電壓進行鍍銀，鍍銀時間為lOmin，鍍銀的電解液為硝酸銀的無水乙醇-水溶液，硝酸銀的質(zhì)量濃度為1.16g/L，無水乙醇與去離子水的體積比為1:1 ；
有機溶劑為四氫呋喃，腐蝕處理時間為3小時；
鍍銀兩電極間的垂直距離為1.0cm。
[0027]實施例2:
步驟一:稱取PS微球，將其加入無水乙醇-水混合溶液中，超聲分散30min后制得PS微球分散液；然后，取兩塊金屬樣片固定于40X 25mm的稱量瓶中，加入配制好的PS微球分散液至恰好淹沒樣片；最后，將整個裝置置于烘箱中待液體蒸發(fā)干，取出樣片，使用蒸餾水沖洗干凈后100°C烘干，即得表面負(fù)載有PS微球的樣片。
[0028]步驟一中:
PS微球的直徑為500nm，PS微球分散液的質(zhì)量濃度為0.03% ；
無水乙醇-水混合溶液中無水乙醇與去離子水的體積比為7:3 ；
金屬樣片的尺寸為24X12Xlmm，兩塊樣片沿12mm的邊對接，并呈90°，夾角固定于40 X 25mm的稱量瓶中；
烘箱的蒸發(fā)溫度為55°C。
[0029]步驟二:將表面負(fù)載有PS微球的樣片作為工作電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陰極；另取等面積的銀箔作為犧牲電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陽極，在恒壓條件下進行鍍銀；鍍銀完畢后，采用有機溶劑對樣片進行腐蝕處理，然后清洗、干燥，即可在金屬樣片表面構(gòu)筑出銀膜陷阱結(jié)構(gòu)。
[0030]步驟二中:
采用0.7V的沉積電壓進行鍍銀，鍍銀時間為15min，間隔IOmin后，進行第二次鍍銀，第二次鍍銀時間為lOmin，鍍銀的電解液為硝酸銀的無水乙醇-水溶液，硝酸銀的質(zhì)量濃度為1.16g/L，無水乙醇與去離子水的體積比為2:1 ；
有機溶劑選取四氫呋喃，腐蝕處理時間為3小時；
鍍銀兩電極間的垂直距離為2.0cm0
[0031]實施例3:
步驟一:稱取PS微球，將其加入無水乙醇-水混合溶液中，超聲分散30min后制得PS微球分散液；然后，取兩塊金屬樣片固定于40X 25mm的稱量瓶中，加入配制好的PS微球分散液至恰好淹沒樣片；最后，將整個裝置置于烘箱中待液體蒸發(fā)干，取出樣片，使用蒸餾水沖洗干凈后100°C烘干，即得表面負(fù)載有PS微球的樣片。
[0032]步驟一中:
PS微球的直徑為500nm，PS微球分散液的質(zhì)量濃度為0.05% ；
無水乙醇-水混合溶液中無水乙醇與去離子水的體積比為10:0，也就是不添加去離子水,只添加無水乙醇；
金屬樣片的尺寸為24X12Xlmm，兩塊樣片沿12mm的邊對接，并呈90°，夾角固定于40 X 25mm的稱量瓶中；
烘箱的蒸發(fā)溫度為85°C。
[0033]步驟二:將表面負(fù)載有PS微球的樣片作為工作電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陰極；另取等面積的銀箔作為犧牲電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陽極，在恒壓條件下進行鍍銀；鍍銀完畢后，采用有機溶劑對樣片進行腐蝕處理，然后清洗、干燥，即可在金屬樣片表面構(gòu)筑出銀膜陷阱結(jié)構(gòu)。
[0034]步驟二中:
采用1.0V的沉積電壓進行鍍銀，鍍銀時間為20min，間隔IOmin后，進行第二次鍍銀，第二次鍍銀時間為20min，鍍銀的電解液為硝酸銀的無水乙醇-水溶液，硝酸銀的質(zhì)量濃度為1.16g/L，無水乙醇與去離子水的體積比為4:1 ；
有機溶劑選取四氯甲烷，腐蝕處理時間為3小時；
鍍銀兩電極間的垂直距離為3.0cm0
[0035]圖1為金屬樣片表面自組裝PS微球后的SEM圖，可以看出采用本發(fā)明中的方法進行PS微球自組裝，PS微球在金屬樣片表面基本上呈單層均勻分布。圖2為PS微球模板間隙鍍銀后的SEM圖，通過圖1與圖2的對比可以看出，鍍銀以片狀形式穿插于PS微球間隙，且尺寸遠大于PS微球。圖3為除去PS微球模板后所得銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的SEM圖，可以看出PS微球基本上完全去除，銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的粗糙度較大。圖4為以鍍銀鋁合金樣片為襯底構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)前、后的XRD圖，可知采用該方法構(gòu)筑的銀膜陷阱結(jié)構(gòu)相對鍍銀鋁合金襯底而言，沿(200)晶面的取向性提高，但并無其他雜質(zhì)峰的出現(xiàn)，說明所構(gòu)筑的銀膜陷阱具有高的晶體質(zhì)量。圖5為鍍銀鋁合金表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)后的SEY特性曲線，由圖5可知在鍍銀鋁合金表面隨機抽取三個測試點，其SEY最大值平均為1.64，相對于鍍銀鋁合金表面SEY最大值2.24降低了 26.8%。
[0036]本發(fā)明的內(nèi)容不限于實施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 由以下步驟實現(xiàn): 步驟一:稱取PS微球，將其加入無水乙醇-水混合溶液中，超聲分散30min后制得PS微球分散液；然后，取兩塊金屬樣片固定于40X 25mm的稱量瓶中，加入配制好的PS微球分散液至恰好淹沒樣片；最后，將整個裝置置于烘箱中待液體蒸發(fā)干，取出樣片，使用蒸餾水沖洗干凈后100°C烘干，即得表面負(fù)載有PS微球的樣片； 步驟二:將表面負(fù)載有PS微球的樣片作為工作電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陰極；另取等面積的銀箔作為犧牲電極，接于恒壓穩(wěn)流電源的陽極，在恒壓條件下進行鍍銀；鍍銀完畢后，采用有機溶劑對樣片進行腐蝕處理，然后清洗、干燥，即可在金屬樣片表面構(gòu)筑出銀膜陷阱結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 步驟一中，PS微球的直徑為500nm，PS微球分散液的質(zhì)量濃度為0.01%_0.05%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 步驟一中，無水乙醇-水混合溶液中無水乙醇與去離子水的體積比為3:7-10:0。
4.根據(jù)權(quán)利要求3 所述的利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 步驟一中，金屬樣片的尺寸為24X12Xlmm，兩塊樣片沿12mm的邊對接，并呈90°，夾角固定于40 X 25mm的稱量瓶中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 步驟一中，烘箱的蒸發(fā)溫度為25-85°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷講結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于: 步驟二中，采用0.5-1.0V的沉積電壓進行鍍銀，鍍銀時間為10-20min，間隔IOmin后，進行第二次鍍銀，第二次鍍銀時間為0-20min，鍍銀的電解液為硝酸銀的無水乙醇-水溶液，硝酸銀的質(zhì)量濃度為1.16g/L，無水乙醇與去離子水的體積比為1:1-4:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 步驟二中，有機溶劑選自四氫呋喃、四氯甲烷，腐蝕處理時間為3小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用PS微球為模板在金屬表面構(gòu)筑銀膜陷阱結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 步驟二中，鍍銀兩電極間的垂直距離為1.0-3.0cm0
【文檔編號】B81C1/00GK104016300SQ201410275404
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】鮑艷, 張永輝, 馬建中, 吳朵朵, 崔萬照, 胡天存 申請人:陜西科技大學(xué), 西安空間無線電技術(shù)研究所