专利名称：一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法
技术领域：
本发明属于微纳加工技术领域，涉及一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法。
技术背景目前，纳米颗粒材料已成为纳米材料的重要组成部分。纳米球自组装技术在近年来得到 广泛研究，它是一种价廉而且具有并行处理能力的技术。其主要工艺是将具有相同大小和形 状(通常是球形)的胶粒排布在经过处理的具有良好亲水性的平整基片上,一般情况下,这些胶 粒在基片表面上是随机排布的，按照势能最小原理， 一般组合形成六边形排布，也有报道用大 小不同的纳米球混合组装后形成大小球混合排布，或者通过去掉小球后形成大球的四边形排 布的各种方法。或者采用多层纳米球组装后，形成复杂的结构。也有报道用圆柱形、方形、 三角形的孔作为模板的辅助自组装方法，利用与沟槽大小成一定比例的纳米粒子，可以将其 排列成为梅花状、四边形、三角形等形状。上述各种方法都相对比较复杂，加工工序较多。 并且大都是针对多个纳米球集合排布的，对单列纳米球的排布未见有相关的研究方法报道。近年来，随着微纳加工技术、纳米材料和近场显微测试技术的迅速发展，加州理工学院 Edwards等[NatureMaterials2，229-232]提出了基于表面等离子体的金属纳米波导的概念，实现 了在纳米量级尺度上传输可见光信号。这种具有重要应用前景的突破衍射极限可在远小于波 长的空间尺度上传输电磁信号的新技术，需要研究不同大小、不同排布方式的单列金属纳米 粒子之间的耦合模式、能量分配、转弯性能等，这就给纳米粒子制备技术提出了新的挑战。 另外生化传感对各种排布的纳米粒子间的电磁特性需要开展深入研究，以获得更高的传感灵 敏度；如何能实现单列特定排布的纳米球排布成为研究的热点和难点。 发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，可以实 现所需的特定纳米球排布，为纳米波导等需要研究单列金属粒子的直角转弯性能、分支能量 分布以及欧姆衰减、光模式与非辐射模的转换提供了条件和技术支撑，为研究如何在在纳米 尺度实现光电集成回路开辟了新的道路。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方 法，其特征在于首先选择基底；然后在其表面制作出引导沟槽；对基底进行亲水化处理， 涂敷纳米球，采用自组装并通过沟槽的约束、引导在基底上排列纳米球，实现与沟槽的形状 一致的单列纳米球排布。所述的基底为石英、或K9、或硅、或硒化锌、或锗材料。所述的纳米球是玻璃球、或聚苯乙烯微球、或聚合物微球，纳米球直径为20nm-8000nm。 所述的沟槽宽度和深度小于，或等于，或略大于纳米球直径。所述的沟槽剖面根据使用的具体要求可以为矩形槽，或圆形，或梯形槽，或V形槽，或 燕尾形槽； 一方面，对槽的加工要求不高，可以采用多种方法实现；另一方面不同形状的沟 槽对纳米球的稳定性影响大。所述的沟槽外形可以是直线，或曲线、或三角形，或多边形，或上述图形的组合，可以 实现不同形状的排布方式，满足不同的应用需求。所述的沟槽口径可以一致、或呈由小到大变化、或呈由大到小变化满足不同的应用需求。所述的沟槽是通过电子束、干涉光刻经干法或湿法腐蚀后形成，或是聚焦粒子束直接制 作，或是用纳米压印的方法复制得到，或是用机械加工的方法制作。所述的沟槽可以通过分区控制实现多通道单列纳米球自组装，分区既可相通，也可分立， 用以实现需求的多种独立、组合排布。本发明与现有技术相比所具有的优点是本发明所采用的方法不需要复杂设备，具有成 本低、效率高、工艺简单等显著特点，是一种有效的单列纳米球自组装技术，为实现特定排 布的纳米金属颗粒制作提供了一种简单实用的新方法。通过本发明的方法所获得的纳米球排 布为纳米波导等需要研究单列金属粒子的直角转弯性能、分支能量分布以及欧姆衰减、光模 式与非辐射模的转换提供了条件和技术支撑，为研究如何在纳米尺度实现光电集成回路开辟了新的道路。
图1是本发明实施例1中采用宽度略小于纳米球的矩形沟槽引导法控制纳米球排布的剖 面图；图2是本发明实施例1中采用外形为环形的沟槽引导实现纳米球的环形排布的示意图； 图3是本发明实施例2中采用V形沟槽引导控制纳米球排布的剖面图； 图4是本发明实施例2中采用外形为三角形的沟槽引导实现纳米球三角形排布的示意图； 图5是本发明实施例3中采用圆形沟槽引导控制纳米球排布的剖面图； 图6是本发明实施例3中采用外形为五边形的沟槽引导实现纳米球五边形排布的示意图； 图7是本发明实施例4中采用宽度不同的沟槽组合引导实现大小不同的纳米球特定混合
排布的示意图；图8是本发明实施例5中实现的直角拐弯状纳米球排布扫描电镜照片；图9是本发明实施例5中利用沟槽引导法实现的纳米球，经金属化后用于纳米波导直角 转弯性能、分支性能研究示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。实施例l，实现环状分布的单列纳米球排布。首先采用抛光硅酸盐玻璃片作为基板，用电子束光刻经干法刻蚀后形成外形为环状，剖 面宽约为600nm，槽深为400nm的矩形槽，并用化学方法对基板进行亲水化处理，然后将浓 度为3%，直径为800nm的单分散聚苯乙烯纳米球水溶胶0.5^1均匀涂布在玻璃基底表面，使 溶剂缓慢蒸发，去除基片表面附着的纳米胶体球后，在环状分布的矩形槽内形成纳米球阵列。 剖面图如图l所示，外形图如图2所示。实施例2，实现外形为三角形分布的单列纳米球排布。采用K9玻璃为基底，采用干涉光刻的方法形成三角形分布的线条，再用HF对其进行腐 蚀，由于各方向腐蚀输率不一致，最后在K9玻璃基底上得到口径为50nm，槽深70nm的V 形开口槽，并对基底进行亲水处理，然后将浓度为1%，直径为50nm的聚苯乙烯纳米微球水 溶胶0.5^1均匀涂布在玻璃基底表面，使溶剂缓慢蒸发，去除基片表面附着的纳米胶体球后， 在三角形分布的V形槽内形成50nm的纳米球阵列，剖面图如图3所示，外形图如图4所示。实施例3，实现外形为五边形分布的单列纳米球排布。采用融石英为基底，采用机械加工的方法制作口径为8000nm，剖面为半圆形的沟槽，然 后对基底进行亲水处理，然后将浓度为1%，直径为7000nm的硼硅酸盐玻璃球水溶胶2.5pl均 匀涂布在基底表面，使溶剂缓慢蒸发，去除基片表面附着的纳米球后，在外形为五角形分布 剖面为圆形的槽内形成球阵列，剖面图如图5所示，外形图如图6所示。实施例4，实现口径500nm、 550nm、 600nm和250nm的纳米球混合排布。 采甩硒化锌材料作为基底，采用聚焦离子束直接加工的方法，获得如图7所示的连通图案， 中间为口径250nm的槽， 一端是口径为500nm的槽，另外一端是喇叭型开口槽，槽宽从500nm 逐渐增大到600nm。槽深与口径相当，取直径500nm、 550nm、 600nm浓度2。/。的单分散聚苯乙 烯纳米球水溶胶各lml和直径250nm、浓度l。/。的单分散聚苯乙烯纳米球水溶胶0.2ml用超声波 混合，把配好的混合聚苯乙烯纳米球水溶胶取5^滴到玻璃基板表面进行自组装，室温干燥后 得到特殊排列的纳米球结构。本实施例采用宽度不同沟槽组合，引导实现大小不同的纳米球
特定混合排布；外形图如图7所示。实施例5，实现两种分立纳米波导粒子的制作。选用硅材料作为基底，采用纳米压印的方法获得两组分立的槽， 一个是口径为100nm的 梯形直角拐弯槽，另一个是口径800nm的倒"T"字形排布槽，槽深与口径相当。取直径100nm、 浓度2。/。的单分散聚苯乙烯纳米球水溶胶lml和直径800nm、浓度1%的单分散聚苯乙烯纳米球 水溶胶0.2ml用超声波混合，把配好的混合聚苯乙烯纳米球水溶胶取5nl滴到玻璃基板表面进行 自组装，室温干燥后得到特殊排列的纳米球结构。直角拐弯槽内的纳米球排布的扫描电镜照 片如图8所示。然后，对其进行金属化，得到金属纳米粒子，可采用制作的这一结构分别对纳 米波导的直角转弯特性和分支结构的能量分配特性进行研究。倒"T"字形排布纳米微粒研究示 意图如图9所示。
权利要求
1、一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，其特征在于首先选择基底；然后在其表面制作出引导沟槽；对基底进行亲水化处理，涂敷纳米球，采用自组装并通过沟槽的约束、引导在基底上排列纳米球，实现与沟槽的形状一致的单列纳米球排布。
2、 根据权利要求1所述的一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，其特征在于所 述的基底为石英、或K9、或硅、或硒化锌、或锗材料。
3、 根据权利要求l所述的一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，'其特征在于所 述的纳米球是玻璃球、或聚苯乙烯微球、或聚合物微球，纳米球直径为20nm-8000nm。
4、 根据权利要求l所述的一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，其特征在于所 述的沟槽宽度和深度小于，或等于，或略大于纳米球直径。
5、 根据权利要求l所述的一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，其特征在于所述的沟槽剖面是矩形槽，或圆形，或梯形槽，或v形槽，或燕尾形槽。
6、 根据权利要求l所述的一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，其特征在于所述的沟槽外形可以是直线，或曲线、或三角形，或多边形，或上述图形的组合。
7、 根据权利要求l所述的一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，其特征在于所述的沟槽口径可以一致、或呈由小到大变化、或呈由大到小变化满足不同的应用需求。
8、 根据权利要求l所述的一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，其特征在于所 述的沟槽是通过电子束、干涉光刻经干法或湿法腐蚀后形成，或是聚焦粒子束直接制作，或 是用纳米压印的方法复制得到，或是用机械加工的方法制作。
9、 根据权利要求l所述的一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，其特征在于所 述的沟槽可以通过分区控制实现多通道单列纳米球自组装，分区既可相通，也可分立，用以 实现需求的多种独立、组合排布。
全文摘要
本发明公开一种利用沟槽引导的单列纳米球自组装方法，其特征在于首先选择基底；然后在其表面制作出引导沟槽；对基底进行亲水化处理，涂敷纳米球，采用自组装并通过沟槽的约束、引导在基底上排列纳米球，实现与沟槽的形状一致的单列纳米球排布；同时还可以通过沟槽进行分区，使得在不同的位置实现不同的纳米球组装，分区既可相通，也可分立，实现多种组合排布；本发明所采用的方法不需要复杂设备，具有成本低、效率高、工艺简单等显著特点，是一种有效的单列纳米球自组装方法，为实现特定排布的纳米金属颗粒制作提供了一种简单实用的新方法。
文档编号B82B3/00GK101391745SQ20081022547
公开日2009年3月25日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者杜春雷, 邓启凌 申请人:中国科学院光电技术研究所