一种混合纳米结构基底、制备方法及其应用技术

一种混合纳米结构基底、制备方法及其应用。混合纳米结构基底，包括：衬底层；间隔分布的纳米球，形成于该衬底层的上方；其中，每个纳米球上表面具有若干凹陷部；每个凹陷部中含有金属纳米微粒聚集体。通过结合每个凹陷部中金属纳米微粒聚集体与多个纳米球的拉曼增强效应，增强因子高达10

【技术实现步骤摘要】
一种混合纳米结构基底、制备方法及其应用
本公开属于表面增强拉曼技术，涉及一种混合纳米结构基底、制备方法及其应用。
技术介绍
表面增强拉曼技术是通过金属纳米结构表面与金属表面发生等离子共振引发增强散射，具备高灵敏度、高选择性和检测条件宽松等优势，可广泛用于单分子检测、生物医学检测等领域。早期，有许多增强拉曼信号的技术，如利用电化学粗糙金属电极或金属纳米溶胶滴干后形成纳米粒子团聚体，由于纳米结构的随机性，导致拉曼信号的不均匀。目前已有多种增强拉曼散射结构和制备方法被研究，包括纳米线和纳米微粒结构、纳米柱结构等。其中纳米线和纳米微粒结构的制备工艺比较复杂，成本比较高。有研究报道了一种单层膜结构的表面拉曼增强光谱(SERS)基底，该SERS基底具有高度规则的纳米结构，均匀性优异，检测结果具有较高的重现性和可信度。然而，其增强因子(EF)仅有106，限制了其在痕量分析中的应用。还有研究提供了一种表面增强拉曼散射活性基底的制备方法，将银纳米线、银纳米颗粒和水混合，得到分散液；将分散液涂覆在单层二硫化钼基底的表面，得到表面增强拉曼散射活性基底。此研究的表面增强拉曼散射活性基底结合了银纳米线和银纳米颗粒修饰的单层二硫化钼纳米复合结构形成的热点导致的电磁场增强机制和目标分子与单层二硫化钼之间电荷转移的化学机制，能够有效放大目标分子的拉曼信号，实现对目标分子的高灵敏探测；目标分子与表面增强拉曼散射活性基底上单层二硫化钼之间的电荷转移效应，能够有效提高目标分子的光稳定性，进而实现目标分子拉曼信号的稳定探测。但是由于采用涂覆的方法，难以控制每个热点处的银纳米线和银纳米颗粒的分布，使得热点分布不均，测量出的拉曼增强信号不稳定。具有超高灵敏度的拉曼增强技术发展至今已经有几十年了，由于受限于高成本增强拉曼信号芯片的限制，同时实现的拉曼增强基底无法兼具高灵敏度和高稳定性，无法广泛用于物质痕量检测，因此亟需提供一种成本低、制作工艺简单、可大批量生产、检测精度比较高且具有较高稳定性的增强拉曼信号的结构。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种混合纳米结构基底、制备方法及其应用，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种混合纳米结构基底，包括：衬底层；间隔分布的纳米球，形成于该衬底层的上方；其中，每个纳米球上表面具有若干凹陷部；每个凹陷部中含有金属纳米微粒聚集体。在本公开的一些实施例中，纳米球的大小和间距可控，每个纳米球上的凹陷部的位置和间距设置是可控的，金属纳米微粒聚集体中的纳米微粒聚集的形貌、分布均匀性是可控的。在本公开的一些实施例中，衬底层的材料包括如下材料的一种或几种：半导体或合金；和/或，纳米球的材料为聚合物材料。在本公开的一些实施例中，间隔分布的纳米球之间的距离为10nm-300nm；和/或，每个纳米球中的相邻两个凹陷部之间的距离为3nm-50nm。在本公开的一些实施例中，每个凹陷部中的金属纳米微粒聚集体含有纳米微粒的个数为平均5个-20个。根据本公开的另一个方面，提供了一种本公开提到的任一种混合纳米结构基底的制备方法，包括：步骤S11：在衬底层的上方形成间隔分布的纳米球2；步骤S12：在每个纳米球2上表面制作若干凹陷部；步骤S13：在每个凹陷部中制备金属纳米微粒聚集体5。在本公开的一些实施例中，步骤S11包括：在衬底层的上方通过自组装方式形成一层纳米球自组装薄膜，该纳米球自组装薄膜中的各个纳米球相互连接；其中，自组装方式包括如下形式的一种或几种：溶剂挥发自组装、主动吸附、静电吸附、亲疏水排斥以及吸附；以及通过一方法减小纳米球自组装薄膜中每个纳米球的尺寸得到间隔分布的纳米球，该方法包括如下方法的一种或几种：刻蚀、纳米球印刷术或电化学法。在本公开的一些实施例中，步骤S12中，凹陷部的制作方法包括：紫外刻蚀、化学刻蚀、激光刻蚀、纳米球印刷术或电化学法。在本公开的一些实施例中，通过控制刻蚀方法中的气体流量和工作电压、控制纳米球印刷术中的印刷模板的尺寸、或者控制电化学反应条件实现对纳米球的大小和间距的控制；和/或，通过控制反应紫外刻蚀、化学刻蚀、激光刻蚀、纳米球印刷术或电化学法的实验参数实现对聚苯乙烯球的表面凹陷部的位置和间距的控制；和/或，通过控制金属纳米微粒的制备条件，包括溅射速率、沉积速率，实现对金属纳米微粒聚集体中的纳米微粒聚集的形貌、分布均匀性的控制。根据本公开的又一个方面，提供了一种上述提及的任一种混合纳米结构基底在拉曼测试中的应用。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的混合纳米结构基底、制备方法及其应用，具有以下有益效果：1、通过在衬底层上方形成间隔分布的纳米球，每个纳米球上表面具有若干凹陷部，每个凹陷部中含有金属纳米微粒聚集体，通过结合每个凹陷部中金属纳米微粒聚集体与多个纳米球的拉曼增强效应，不仅在纳米球上形成大规模的电磁热点，还通过溅射金属纳米微粒得到凹陷部的金属纳米微粒聚集体，以形成更多的电磁热点，增强因子高达108，具有较高的灵敏度和检测精度；同时纳米球的大小和间距可控，每个纳米球上的凹陷部的位置和间距设置是可控的，通过控制溅射的速率，可以实现对纳米微粒聚集的形貌、分布均匀性的控制，实现了热点的均匀分布和可控分布，保证了较高的稳定性。该基底具有高增强拉曼活性、高均匀性、极佳的稳定性和批次重现性等优点。2、通过进一步优化控制凹陷部之间的最小距离或凹陷部的密度或凹陷部的口部直径，能够实现纳米结构单元的高密度堆积，进一步增强拉曼散射信号。3、制备工艺中，通过自组装方式形成纳米球自组装薄膜，然后通过紫外刻蚀、化学刻蚀、激光刻蚀、纳米球印刷术或电化学法等得到间隔分布的纳米球，然后通过控制刻蚀的气体流量和射频电压，可以实现凹陷部大小和位置分布的控制；通过控制溅射的速率，可以实现对纳米微粒聚集的形貌、分布均匀性的控制，该制备工艺简单、工艺重复性好、且成本低廉，适合产业化批量生产，可用于各领域的拉曼测试，包括物质痕量检测，例如为低浓度有机物的检测。附图说明图1-图6为根据本公开一些实施例所示的混合纳米结构基底的制备过程示意图。图1为准备的去离子水的示意图。图2为在去离子水中加入酒精和聚苯乙烯球混合溶液，聚苯乙烯球在去离子水表面形成一层薄膜的示意图。图3为聚苯乙烯薄膜转移到硅衬底上的示意图。图4为聚苯乙烯薄膜通过自组装方式在硅衬底上形成一层薄膜的示意图。图5为刻蚀后聚苯乙烯球的结构示意图。图6为溅射了纳米金微粒后得到的混合纳米结构基底的示意图。图7为溅射了纳米金微粒后单个聚苯乙烯纳米球的结构示意图。图8为阵列聚苯乙烯球薄膜SEM图。图9为在凹陷部溅射纳米金微粒后间隔分布的聚苯乙烯纳米球的SEM图。图10为如图9所示的聚苯乙烯-纳米金微粒局部放大SEM图。图11为硅衬底、硅衬底-聚苯乙烯纳米球、硅衬底-聚苯乙烯纳米球-金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合纳米结构基底，其特征在于，包括：/n衬底层；/n间隔分布的纳米球，形成于该衬底层的上方；/n其中，每个纳米球上表面具有若干凹陷部；每个凹陷部中含有金属纳米微粒聚集体。/n

【技术特征摘要】
1.一种混合纳米结构基底，其特征在于，包括：
衬底层；
间隔分布的纳米球，形成于该衬底层的上方；
其中，每个纳米球上表面具有若干凹陷部；每个凹陷部中含有金属纳米微粒聚集体。


2.根据权利要求1所述的混合纳米结构基底，其特征在于，所述纳米球的大小和间距可控，每个纳米球上的凹陷部的位置和间距设置是可控的，金属纳米微粒聚集体中的纳米微粒聚集的形貌、分布均匀性是可控的。


3.根据权利要求1所述的混合纳米结构基底，其特征在于，
所述衬底层的材料包括如下材料的一种或几种：半导体或合金；和/或，
所述纳米球的材料为聚合物材料。


4.根据权利要求1所述的混合纳米结构基底，其特征在于，
所述间隔分布的纳米球之间的距离为10nm-300nm；和/或，
所述每个纳米球中的相邻两个凹陷部之间的距离为3nm-50nm。


5.根据权利要求1所述的混合纳米结构基底，其特征在于，所述每个凹陷部中的金属纳米微粒聚集体含有纳米微粒的个数为平均5个-20个。


6.一种如权利要求1至5中任一项所述的混合纳米结构基底的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S11：在衬底层的上方形成间隔分布的纳米球2；
步骤S12：在每个纳米球2上表面制作若干凹陷部；
步骤S13：在每个凹陷部中...

【专利技术属性】
技术研发人员：明安杰，赵永敏，祁琦，王玮冰，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11