一种调整Ag-ITO复合材料近红外区吸收峰波长的方法

摘要

一种调整Ag‑ITO复合材料近红外区吸收峰波长的方法，属于纳米光吸收材料技术领域，本发明方法中Ag‑ITO复合材料的结构是结合模板法，以聚苯乙烯小球阵列为模板，Ag和ITO经磁控溅射的方法获得。本发明方法根据金属半导体载流子浓度可调的性质，通过增大ITO溅射功率，增加ITO含量，减小载流子浓度等手段，不仅提高了近红外区的吸收效率，还能够控制半导体ITO的含量进而使吸收峰在从1079nm红移至1214nm的范围内精确调控，有望开发新型的生物芯片和光电器件等材料。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光吸收材料技术领域。

背景技术

纳米科学技术是在0.1nm～100nm尺度空间内，研究电子，原子和分子运动规律与特性的 技术学科，纳米技术基础理论研究和新材料开发等应用研究都得到了快速的发展，并且在传 统材料、医疗器材、电子设备、涂料等行业得到了广泛的应用。纳米材料是纳米技术应用的 基础。随着材料粒子尺寸的减小，在其微观层面上会发生很多变化，在研究过程中，科研人 员融合介观物理学、量子力学等物理学原理，最终发现总结出纳米材料具有体积效应、表面 效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和介电限域效应，纳米材料引起了人们的广泛关注，相 关的研究得到了长足的发展和广泛的应用。

纳米金属与光的相互作用的特征是其自由电子与驱动电磁场共振时的表面束缚电荷振荡。 由于这些所谓的局域表面等离子体共振(LSPR)，纳米粒子表现出强烈的光吸收和散射，在太 阳能光伏发电、生物成像和激光光热治疗等许多领域都有潜在的应用。在共振时，纳米颗粒 表面的电场被强烈增强，导致附近的分子表现出增强的吸收和发射、拉曼散射和非线性光学 特性。强约束的LSPR近场可以被用于亚波长显微镜、近场光刻、纳米光刻，以及作为纳米结 构周围的局部介质的单分子探测探针。尽管LSPR的频率可以通过纳米结构尺寸、几何形状和 局部介质进行微调，但它主要是通过材料的自由电子密度来控制的。

氧化铟锡(ITO)在一般情况下为体心立方铁锰矿结构，Sn原子掺杂在In

在ITO薄膜掺杂一些外来金属不仅可以保持ITO薄膜的基本性能，而且还能改善薄膜的光 电性能，在这里，为了实现LSPR从可见区到近红外区域的动态调制，我们将贵金属Ag与ITO 复合材料在PS有序阵列上制备成薄膜。薄膜的性质与其制备工艺密切相关，薄膜制备技术的 提高必将会有力推动光伏电池、显示及其它光电领域的快速发展。磁控溅射技术是一种成熟 的薄膜材料的大规模生产技术，具有制造成本低、均匀性好、重复性好和薄膜性能控制好等 优点，通过控制工作压力、反应气体含量、原位衬底温度和溅射功率等溅射沉积条件，可以 改变沉积薄膜的晶体结构、形貌、组成和厚度。

发明内容

为了解决现有光吸收材料在近红外区吸收性能不佳的问题，本发明提出了一种调整 Ag-ITO复合材料近红外区吸收峰波长的方法，该方法中Ag-ITO复合材料的结构是结合模板法， 以聚苯乙烯小球阵列为模板，Ag和ITO经磁控溅射的方法获得。

磁控溅射中，将银靶和氧化铟锡靶分别装入磁控溅射腔体中的磁性靶位和非磁性靶位上， 靶位偏角为15°，开始前背景气压需低于1.0×10

聚苯乙烯小球阵列模板的制备方法为：

A、将硅片浸泡在10％的十二烷基硫酸钠溶液中24小时，得到具有亲水性的衬底；

B、另取一硅片，放入烧杯中，加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和水的混合溶液， 300℃加热处理10～30min，待自然冷却后依次用去离子水和乙醇溶液进行超声处理，每次处 理时间为20～60min，重复超声3～5次，最后放入去离子水中留用；

C、取体积比为1:1的200nm聚苯乙烯小球和无水乙醇混合，超声2～3min，得到分散性较 好的聚苯乙烯乙醇溶液；

D、在容器中装满去离子水，静置一段时间，水面平稳后将聚苯乙烯乙醇溶液滴在步骤A 亲水处理过的硅片衬底上，待溶液均匀铺开，以一定角度缓慢地将衬底浸入容器，聚苯乙烯 在水面上会由于张力扩散开来，形成单层自组装胶体球阵列，静置1min；

E、取步骤B清洗后的硅片，将单层胶体球阵列缓慢捞出，用滤纸吸取多余水后倾斜立在 滤纸上，使其表面水分充分挥发，得到自组装二维有序聚苯乙烯胶体球阵列。

本发明方法根据金属半导体载流子浓度可调的性质，通过增大ITO溅射功率，增加ITO含 量，减小载流子浓度等手段，不仅提高了近红外区的吸收效率，还能够控制半导体ITO的含 量进而使吸收峰在从1079nm红移至1214nm的范围内精确调控，有望开发新型的生物芯片和 光电器件等材料。

本发明的有益效果：

1、可以实现近红外区材料对光吸收波长的调控，得到高效光吸收材料；

2、制备过程具有简单易行，重复性好，稳定性高等特点；

3、在生物检测、传感器及催化等领域应用前景广阔。

附图说明

图1是Ag-ITO共溅射系统制备流程示意图。

图2是Ag-ITO共溅射系统的SEM图像。(a)Ag溅射15min，溅射功率10W；(b)～(e)是对Ag 和ITO进行共溅射15min,Ag的溅射功率为10W,ITO的溅射功率分别为60、80、100和120W；(f)是ITO溅射15min；溅射功率120W；(g)和(h)分别是PS模板上溅射Ag-ITO膜的TEM图像和 EDS层状电子图像，(i)是Ag(蓝色)、Sn(绿色)、In(红色)的EDS图像。

图3(a)是聚苯乙烯胶体球阵列共溅射Ag(功率为10W)和ITO(功率分别为60、80、100 和120W)后的紫外吸收谱图。(b)是溅射功率与LSPR线性关系拟合图。

具体实施方式

下面以具体实施方案对本发明技术作进一步解释和说明。

实施例1

1、二维有序聚苯乙烯胶体球阵列的制备

利用自组装方法在硅片上沉积二维有序聚苯乙烯胶体球阵列作为支撑模板，具体步骤如 下：取硅片浸泡在2％的十二烷基硫酸钠溶液中24小时，得到具有亲水性的衬底；另取硅片， 切成2cm×2cm大小后放入烧杯中，加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和水的混合溶液，300℃ 加热处理20min，待自然冷却后依次用去离子水和乙醇溶液进行超声处理，重复2～3次，最后 放入去离子水中留用；取体积比为1:1的200nm聚苯乙烯小球和无水乙醇混合，超声3min后得 到分散性较好的聚苯乙烯乙醇溶液；将聚苯乙烯乙醇溶液滴在亲水处理过的硅片衬底上，待 溶液均匀铺开，以一定角度浸入容器，聚苯乙烯在水面上扩散开后，静置1min，并取清洗后 的硅片捞出，将表面水分吸取干净待充分挥发后得到自组装二维有序聚苯乙烯胶体球阵列；

2、Ag-ITO纳米复合材料阵列的制备

采用物理气相沉积的方法，借助磁控溅射手段共沉积银和氧化铟锡。步骤如下：将银靶 和氧化铟锡靶分别装入磁控溅射腔体中的磁性靶位和非磁性靶位上，靶位偏角为15°，开始 前背景气压需低于1.0×10

实施例2

1、二维有序聚苯乙烯胶体球阵列的制备

利用自组装方法在硅片上沉积二维有序聚苯乙烯胶体球阵列作为模板进行支撑，具体步 骤如下：取硅片浸泡在2％的十二烷基硫酸钠溶液中24小时，得到具有亲水性的衬底；另取硅 片，切成2cm×2cm大小后放入烧杯中，加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和水的混合溶液， 300℃加热处理20min，待自然冷却后依次用去离子水和乙醇溶液进行超声处理，重复2～3次， 最后放入去离子水中留用；取体积比为1:1的200nm聚苯乙烯小球和无水乙醇混合，超声3min 后得到分散性较好的聚苯乙烯乙醇溶液；将聚苯乙烯乙醇溶液滴在亲水处理过的硅片衬底上， 待溶液均匀铺开，以一定角度浸入容器，聚苯乙烯在水面上扩散开后，静置1min，并取清洗 后的硅片捞出，将表面水分吸取干净带充分挥发后得到自组装二维有序聚苯乙烯胶体球阵列。

2、Ag-ITO纳米复合材料阵列的制备

采用物理气相沉积的方法，借助磁控溅射手段共沉积银和氧化铟锡。步骤如下：将银靶 和氧化铟锡靶分别装入磁控溅射腔体中的磁性靶位和非磁性靶位上，靶位偏角为15°，开始 前背景气压需低于1.0×10

实施例3

1、二维有序聚苯乙烯胶体球阵列的制备

利用自组装方法在硅片上沉积二维有序聚苯乙烯胶体球阵列作为模板进行支撑，具体步 骤如下：取硅片浸泡在2％的十二烷基硫酸钠溶液中24小时，得到具有亲水性的衬底；另取硅 片，切成2cm×2cm大小后放入烧杯中，加入体积比为1:2:6的氨水、过氧化氢和水的混合溶液， 300℃加热处理20min，待自然冷却后依次用去离子水和乙醇溶液进行超声处理，重复2～3次， 最后放入去离子水中留用；取体积比为1:1的200nm聚苯乙烯小球和无水乙醇混合，超声3min 后得到分散性较好的聚苯乙烯乙醇溶液；将聚苯乙烯乙醇溶液滴在亲水处理过的硅片衬底上， 待溶液均匀铺开，以一定角度浸入容器，聚苯乙烯在水面上扩散开后，静置1min，并取清洗 后的硅片捞出，将表面水分吸取干净带充分挥发后得到自组装二维有序聚苯乙烯胶体球阵列。

2、Ag-ITO纳米复合材料阵列的制备

采用物理气相沉积的方法，借助磁控溅射手段共沉积银和氧化铟锡。步骤如下：将银靶 和氧化铟锡靶分别装入磁控溅射腔体中的磁性靶位和非磁性靶位上，靶位偏角为15°，开始 前背景气压需低于1.0×10

效果验证

如图2所示，衬底形貌是影响材料整体性能的重要参数。采用自组装技术制作二维PS微球 粒子阵列后，分别对Ag和ITO进行共溅射15分钟。对于不同成分的样品，Ag溅射功率为10W, ITO溅射功率分别为60、80、100和120W。不同溅射功率下200nm微球阵列上Ag、Ag/ITO复 合材料和ITO薄膜的SEM图像如图2(a-f)所示。结果表明，随着ITO溅射功率的增大，纳米结构 的粗糙度略有变化。纳米结构的表面形态是由溅射沉积所需的成核和生长过程造成的。TEM 图像(图2g)显示Ag/ITO复合纳米片被PS包覆，TEM元素映射证实Ag、In、Sn包覆在薄膜上的 均匀性如图2h、2i所示，说明复合薄膜材料的形成。

如图3所示，图(a)显示银的溅射功率不变，随着ITO溅射功率的增大，ITO的量增加，载 流子浓度减小，使LSPR出现从1079nm红移至1214nm。图(b)显示随着ITO溅射功率的增加， 系统的最大吸收波长呈现规律性红移。