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基于纳米压印构筑金属纳米结构

作　者: 石守磊
导　师: 吕男
学　校: 吉林大学
专　业: 物理化学
关键词: 纳米压印二次压印金属结构纳米天线纳米转移印
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

纳米制造技术作为纳米科学与技术的一个重要组成部分，由于其在能源、信息、电子、生物等方面的重要科研价值及广阔的应用前景，已经引起了科学界及产业界的高度重视。随着技术的不断发展，器件集成度不断提高，微结构尺寸也越来越小，传统的光刻技术已经满足不了工业化的需求。在此基础上，下一代光刻技术应运而生。出现了电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、X射线光刻、极紫外光刻等技术。与此同时，美国普林斯顿大学周郁教授（Stephen Chou）于1995年首次提出了纳米压印的概念，由于利用该方法所构筑结构的尺寸不受光衍射极限的限制，因此可以用来构筑超高分辨率的结构，而且该方法还具有高产率、低成本等适合工业化应用的独特优点，显示出了极强的竞争力和广阔的应用前景。但纳米压印模板，尤其是纳米级压印模板一般是由电子束刻蚀等直写方法构筑而成，其成本也因此一直居高不下，成为限制纳米压印技术发展的一个重大障碍，因此发展利用微米级模板构筑纳米结构或模板的方法，具有非常重要的现实意义。与此同时，金属纳米结构由于其在环境检测、表面等离子共振、太阳能电池、纳米医疗等方面的潜在应用，迅速吸引了人们的关注。但如何低成本、大面积的构筑这种功能性结构，依然是一个非常大的挑战。基于以上考虑，我们在本论文中提出了一些通过微米级模板构筑纳米级结构的方法，并利用这些方法，成功的构筑出一维金属纳米线、二维金属纳米天线及三维金属纳米锥孔结构。主要内容包括以下三个部分：第一、我们发展了一种通过二次压印构筑纳米结构的方法。在这种方法中，我们分别利用周期为2微米的条带模板和平整的硅片作为二次压印的模板，在确定了合适的温度和压力后，通过单纯的控制压印时间的长短，构筑出了不同尺寸的周期性PMMA结构，从而构筑出对应的金属纳米线结构。而且，这种方法还可以应用到其他材料和结构上。除了用于构筑金属线外，该PMMA结构也可以转移到硅基底或h-PDMS上，用来作为纳米压印的模板。第二、同样通过二次压印的方法，我们利用条带结构模板构筑出了PMMA的领结型纳米天线结构，然后将这种结构分别转移到硅基底和h-PDMS上，作为纳米压印模板。与先前所报道的由两个相对的三角形天线组成的领结型纳米天线不同，我们所构筑的纳米天线结构由两个相对的半圆结构组成，据我们所知，这种结构还从未被报道过。利用所构筑的模板，我们通过纳米压印和纳米转移的方法得到了金和银的纳米天线结构，所得天线结构的最小空隙间距为10纳米。时域有限差分方法电场分布模拟和拉曼测试实验表明，该金属纳米天线结构具有和其他领结型纳米天线结构类似的电磁场增强性能。第三、通过金属倾斜蒸镀和纳米转移相结合的方法，我们构筑了三维金属纳米空心锥孔阵列结构。通过选择合适的蒸镀角度及蒸镀次数，我们得到了缺口程度不同的三维锥孔阵列结构。利用这种方法，可以很方便的构筑出大面积的三维金属纳米阵列结构。由于该结构的对称性被破坏，这些金属结构表现出独特的反射和透射光谱性质，从而有望应用于局域表面等离子共振传感等方面。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
第一章绪论  13-44
  1.1 引言  13-14
  1.2 纳米压印技术概述  14-30
    1.2.1 纳米压印技术发展过程  14-16
    1.2.2 纳米压印技术的分类  16-17
    1.2.3 传统纳米压印方法简介  17-18
    1.2.4 边缘压印  18-19
    1.2.5 二次压印  19-26
    1.2.6 多层压印  26-29
    1.2.7 倾斜压印  29-30
  1.3 功能金属纳米结构简介  30-42
    1.3.1 一维金属纳米线在传感上的应用  30-35
    1.3.2 二维金属纳米阵列  35-41
    1.3.3 三维立体金属纳米结构  41-42
  1.4 本文研究思路及主要内容  42-44
第二章利用微米级模板构筑周期性金属纳米线  44-60
  2.1 引言  44-45
  2.2 实验部分  45-48
    2.2.1 试剂与仪器  45-46
    2.2.2 基底处理及涂膜  46
    2.2.3 模板单分子层修饰  46-47
    2.2.4 对聚合物结构修饰硫醇  47
    2.2.5 结构构筑  47-48
  2.3 结果与讨论  48-59
    2.3.1 压印温度对聚合物结构的影响  48-50
    2.3.2 压印时间对聚合物结构的影响  50-53
    2.3.3 金属纳米结构的构筑  53-55
    2.3.4 二次压印构筑金属纳米线的补充方法  55-57
    2.3.5 金属纳米线的性质测试  57-59
  2.4 本章小结  59-60
第三章利用条带模板通过二次压印构筑纳米天线结构  60-78
  3.1 引言  60-61
  3.2 试剂与仪器  61-63
  3.3 结果与讨论  63-76
    3.3.1 聚合物纳米天线的构筑  63-65
    3.3.2 聚合物纳米天线形成过程  65-66
    3.3.3 剪切力对结构的影响  66-68
    3.3.4 二次压印中聚合物流动方向的调控  68-70
    3.3.5 硅纳米天线模板的构筑  70
    3.3.6 纳米天线聚合物孔的构筑  70-71
    3.3.7 金属纳米天线的构筑  71-72
    3.3.8 不同材质天线结构转换  72-73
    3.3.9 纳米转移方法构筑金纳米天线结构  73-74
    3.3.10 领结型金纳米天线结构的电场分布模拟  74-75
    3.3.11 领结型金纳米天线结构的拉曼性质测试  75-76
  3.4 本章小结  76-78
第四章倾斜蒸镀与纳米转移相结合构筑三维金属纳米孔  78-91
  4.1 引言  78-79
  4.2 实验部分  79-82
    4.2.1 试剂与仪器  79-80
    4.2.2 周期性硅锥纳米结构的构筑  80
    4.2.3 h-PDMS 倒锥模板的翻制  80
    4.2.4 气相沉积金属  80-81
    4.2.5 金属转移基底的制备  81
    4.2.6 金属结构的转移  81
    4.2.7 结构光谱性质测试  81-82
  4.3 结果与讨论  82-90
    4.3.1 金属结构的构筑流程  82-83
    4.3.2 构筑的不同开口程度的三维金孔结构  83-86
    4.3.3 结构反射光谱的测试  86-87
    4.3.4 结构透射光谱性质测试  87-89
    4.3.5 非倾斜蒸镀转移结构  89-90
  4.4 本章小结  90-91
第五章结论与展望  91-95
  5.1 利用微米级模板构筑周期性银纳米线结构  91-92
  5.2 利用条带模板构筑二维纳米天线结构  92-93
  5.3 倾斜蒸镀与纳米转移相结合构筑三维金属纳米锥孔结构  93-95
参考文献  95-116
攻读博士期间发表论文  116-118
作者简介  118-119
致谢  119-120

基于纳米压印构筑金属纳米结构

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