可制作多種金屬微納結(jié)構(gòu)的模板結(jié)構(gòu)構(gòu)建,無(wú)機(jī)化學(xué)論文

可制作多種金屬微納結(jié)構(gòu)的模板結(jié)構(gòu)構(gòu)建,無(wú)機(jī)化學(xué)論文近年來(lái)，金屬微納構(gòu)造在等離子體光學(xué)探針、等離子體能量轉(zhuǎn)移、外表加強(qiáng)拉曼散射，尤其是在電子器件如電互聯(lián)、電學(xué)器件等方面的應(yīng)用日益廣泛，使得金屬微納構(gòu)造的制備成為研究熱門(mén)．當(dāng)下制備金屬微納構(gòu)造的方式方法主要有紫外光刻、電子束光刻和聚焦離子束刻蝕等，這些方式方法通常需要較高的真空條件及復(fù)雜的工藝步驟．而通過(guò)選擇適宜的金屬前驅(qū)體溶液，利用聚焦的飛秒激光能夠通太多光子吸收光化學(xué)反響實(shí)現(xiàn)常溫常壓條件下金屬微納構(gòu)造的制備:Xu等通過(guò)激光加工直寫(xiě)銀離子前驅(qū)體溶液，一步成型實(shí)現(xiàn)了三維柔性金屬布線;Duan等通過(guò)直寫(xiě)帶有銀離子的聚合物，實(shí)現(xiàn)了三維精細(xì)金屬微納構(gòu)造的加工;Sun等通過(guò)直寫(xiě)銀氨溶液，在微流控芯片當(dāng)中制備銀納米片構(gòu)造作為催化和SERS基底．這些工作都是利用銀離子的光復(fù)原實(shí)現(xiàn)的．銀是一種相對(duì)活潑的金屬，利用激光直寫(xiě)技術(shù)加工銀的微納構(gòu)造工藝已經(jīng)比擬成熟，但是不同的金屬微納構(gòu)造需要使用不同的金屬前驅(qū)體溶液．Kaehr等提出鉑鈀金屬的直寫(xiě)加工，但是加工的工藝還不夠成熟，加工圖形的精細(xì)程度有待提高．而其它金屬如銅、鋅、鉻等，當(dāng)下還沒(méi)有適宜的金屬前驅(qū)體溶液能夠直寫(xiě)加工微納構(gòu)造．本文提出一種可用于制作多種金屬微納構(gòu)造的模板構(gòu)造，有效解決了尋找適宜金屬前驅(qū)體溶液的問(wèn)題．利用飛秒激光組裝量子點(diǎn)制備的微納構(gòu)造為模板，將金屬離子復(fù)原為單質(zhì)，進(jìn)而得到多種金屬的微納構(gòu)造．1實(shí)驗(yàn)部分1．1試劑與儀器巰基乙酸(TGA)、碲粉和氯化鎘(Sigma-Aldrich公司);硝酸銀(上?；瘜W(xué)試劑有限公司);硫酸銅和三氯化鐵(天津市華東試劑廠);硝酸鋅和氫氧化鈉(天津化學(xué)試劑三廠);氟化鉻(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所);氯鉑酸鈉(阿拉丁試劑公司)．飛秒振蕩器(SpectraPhysics3941-M1S);X射線光電子能譜儀(XPS，ESCALAB250);場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，JEOLJSM-6700F);能量色散X射線光譜儀(EDX，JSM7001F);電壓-電流測(cè)試儀(Keithley2400);紫外分光光度計(jì)(ShimadzuUV-2550);熒光光譜儀(ShimadzuRF-5301PC)．1．2實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)將1mmol/L氯化鎘溶液與2mmol/L巰基乙酸混合后，用1mmol/LNaOH溶液調(diào)節(jié)pH至11，在氮?dú)鈿夥罩袇⒓?.2mmol碲氫化鈉，使反響溶液中n(Cd)∶n(TGA)∶n(Te)=1∶2∶0.2，將混合物在100℃下回流，得到加工所需的CdTe量子點(diǎn)溶液．將合成的水溶性CdTe溶液滴在干凈的蓋玻片上，置于飛秒激光加工系統(tǒng)中，飛秒激光的脈沖波長(zhǎng)為800nm，脈沖寬度為120fs，由100油浸物鏡(數(shù)值孔徑NA=1.4)緊聚焦于蓋玻片與溶液的界面處(圖1)，調(diào)整加工功率，通過(guò)VisualBasic設(shè)計(jì)程序控制激光光點(diǎn)的掃描途徑，得到量子點(diǎn)的微納構(gòu)造．【圖1略】將金屬鹽(硝酸銀，硫酸銅，硝酸鋅，氯鉑酸鈉、氟化鉻和三氯化鐵)溶液滴于加工后的量子點(diǎn)微納構(gòu)造上，立即用超純水沖去殘存余留的液體，得到量子點(diǎn)金屬的雜化構(gòu)造，并用EDX線掃描測(cè)試其金屬的分布，在金屬電極之間加工量子點(diǎn)復(fù)原金屬構(gòu)造，并測(cè)試其電流-電壓(I-V)特性．2結(jié)果與討論2．1飛秒激光加工量子點(diǎn)微納構(gòu)造圖2所示為CdTe量子點(diǎn)的吸收及熒光光譜圖．量子點(diǎn)在激光的作用下會(huì)發(fā)生部分熱團(tuán)圓，通過(guò)范德華力固定于基底上，構(gòu)成量子點(diǎn)圖案．在激光場(chǎng)的作用下，溶液中懸浮的CdTe量子點(diǎn)會(huì)有一部分附著在加工的構(gòu)造上，使得飛秒激光加工的構(gòu)造仍然能夠保持CdTe的量子點(diǎn)特性．通過(guò)調(diào)整激光加工功率為10，15和40mW可加工出線寬依次為2.5，3.5和6.5出線的量子點(diǎn)微納構(gòu)造．圖3為飛秒激光加工的漸開(kāi)線圖案，從圖3插圖能夠看出，加工的量子點(diǎn)微納構(gòu)造最小線寬為175nm．【圖2-3】2．2量子點(diǎn)金屬雜化構(gòu)造的制備及性質(zhì)由于量子點(diǎn)尺寸極小，大部分原子位于量子點(diǎn)的外表，使得外表原子的配位缺乏，不飽和鍵和懸鍵增加，使這些外表原子具有較高的化學(xué)活性，很容易與一些金屬離子反響，發(fā)生熒光猝滅，將金屬離子復(fù)原為金屬單質(zhì)，進(jìn)而得到量子點(diǎn)金屬雜化構(gòu)造．圖4為量子點(diǎn)與不同金屬的雜化構(gòu)造的EDX線掃描圖．在加工的漸開(kāi)線構(gòu)造畫(huà)一條線，測(cè)試此線條位置上的元素含量分布．圖示依次為量子點(diǎn)與銀、銅、鋅、鉑、鉻和鐵等金屬的雜化構(gòu)造．能夠看出，在加工量子點(diǎn)構(gòu)造的位置金屬元素含量較高，而在沒(méi)有量子點(diǎn)構(gòu)造的位置幾乎沒(méi)有金屬分布．驗(yàn)證了量子點(diǎn)對(duì)金屬離子的復(fù)原作用．由于激光場(chǎng)的作用，加工的量子點(diǎn)構(gòu)造外表附著有一些懸浮的量子點(diǎn)，使得加工的構(gòu)造仍然具有量子點(diǎn)特性．圖5(A)和(B)分別為加工量子點(diǎn)的顯微鏡照片及熒光顯微鏡照片，可見(jiàn)，量子點(diǎn)微納構(gòu)造保持了量子點(diǎn)的熒光特性．通過(guò)物理氣相沉積在蓋玻片外表設(shè)計(jì)距離為100m的2個(gè)Au-Ge-Ni電極，在2個(gè)電極之間加工量子點(diǎn)線［圖5(C)上］，對(duì)兩電極加連續(xù)的電壓即得到連續(xù)的I-V曲線(圖6)．【圖略】從圖6插圖可看出，量子點(diǎn)的構(gòu)造具有明顯的半導(dǎo)體特性．以量子點(diǎn)與銅的雜化構(gòu)造為例，將具有如此圖5(C)中所示熒光特性的量子點(diǎn)構(gòu)造浸入CuSO4溶液，量子點(diǎn)構(gòu)造的熒光發(fā)生猝滅［圖5(C)下］，講明外表的量子點(diǎn)被銅離子消耗．進(jìn)一步研究其I-V特性發(fā)現(xiàn)，雜化構(gòu)造的電導(dǎo)率()隨著在CuSO4溶液中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而變大，4min后電導(dǎo)率不再發(fā)生明顯變化．由公式R=V/I=L/hd的變形=IL/Vhd(華而不實(shí)，V，I為施加于兩電極之間的電壓與電流，R為相應(yīng)電阻，L，h，d為量子點(diǎn)線的長(zhǎng)、高、寬)計(jì)算得出最終雜化構(gòu)造電導(dǎo)率約為2.7105S/m［10］(線的長(zhǎng)度L=100m，高度h=1m，線寬d=3m)，與銅的體電導(dǎo)率(5.7107S/m)相比相差約2個(gè)數(shù)量級(jí)．這是由雜化構(gòu)造中含有量子點(diǎn)成分以及加工構(gòu)造本身沒(méi)有體金屬致密造成．將量子點(diǎn)微納構(gòu)造浸入不同濃度CuSO4溶液中，由于電離的銅離子濃度直接影響與量子點(diǎn)雜化的程度，隨著鹽溶液濃度的降低，雜化構(gòu)造的電導(dǎo)率逐步降低．【圖略】浸入CuSO4溶液前后量子點(diǎn)構(gòu)造的XPS譜圖見(jiàn)圖7．由銅雜化前后Cd元素的譜圖［圖7(A)］能夠看出，Cd元素的3d5/2峰位在405.0eV處，3d3/2峰位在411.8eV處，雜化前后基本上沒(méi)有發(fā)生變化．雜化前CdTe中Te元素的3d5/2峰位于572.7eV處，3d3/2峰位于583.2eV處［圖7(B)］，與銅雜化后，這2個(gè)峰消失了，同時(shí)，576.2和586.5eV處TeO2的特征峰也有所降低，表示清楚在反響經(jīng)過(guò)中消耗掉了CdTe和TeO2中的Te元素．569.5eV處為銅的俄歇峰，對(duì)應(yīng)銅的零價(jià)態(tài)，表示清楚量子點(diǎn)構(gòu)造與銅離子互相作用，最終將其復(fù)原為銅單質(zhì)．以上結(jié)果表示清楚，利用量子點(diǎn)外表缺陷對(duì)金屬離子進(jìn)行復(fù)原可得到導(dǎo)電性能良好的微納構(gòu)造．利用其導(dǎo)電性能還可對(duì)其進(jìn)行電鍍，進(jìn)一步增加金屬層的厚度，得到金屬性能更好的可設(shè)計(jì)的微納構(gòu)造．【圖7】3結(jié)論本研究通過(guò)飛秒激光加工組裝了CdTe量子點(diǎn)微納構(gòu)造，該構(gòu)