本發(fā)明涉及等離激元納米光子學(xué)，尤其涉及基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法。

背景技術(shù)：

1、等離激元納米激光利用金屬納米結(jié)構(gòu)表面的等離子體激元，即自由電子振蕩與電磁波耦合形成的準(zhǔn)粒子，在亞波長尺度上實現(xiàn)光的限制和增強(qiáng)。通過特定的設(shè)計，可以使得這些金屬納米結(jié)構(gòu)支持高q值（品質(zhì)因子）的局域模式與熒光染料結(jié)合后，從而實現(xiàn)低閾值的激光發(fā)射。在等離激元納米激光器中，熒光染料作為增益介質(zhì)發(fā)揮著重要作用。熒光染料在等離激元納米激光器中充當(dāng)增益介質(zhì)，通過吸收激發(fā)光并發(fā)射出相干光來實現(xiàn)激光輸出。熒光染料與金屬納米結(jié)構(gòu)的等離激元相互作用，可以增強(qiáng)熒光染料的輻射效率和發(fā)光強(qiáng)度，從而提高激光器的性能。熒光染料與金屬納米結(jié)構(gòu)之間的相互作用過程涉及了多個物理與化學(xué)機(jī)制，二者的作用過程包括：

2、1.初始狀態(tài)：處于基態(tài)的熒光染料，受到適當(dāng)波長的光激發(fā)時，電子從低能級躍遷到高能級，形成激發(fā)態(tài)。金屬納米結(jié)構(gòu)支持表面等離激元，這是一種由自由電子集體振蕩產(chǎn)生的電磁模式，可以在亞波長尺度上增強(qiáng)局部電磁場。

3、2.表面等離激元共振：當(dāng)入射光照射到金屬納米陣列上時，如果其頻率與金屬中自由電子集體振蕩的頻率相匹配，則會發(fā)生表面等離激元共振。這種共振能夠?qū)⒐獾哪芰考性诮饘偌{米結(jié)構(gòu)周圍極小的空間區(qū)域內(nèi)，形成強(qiáng)烈的局部電磁場。

4、3.經(jīng)驗與電磁場增強(qiáng)：由于表面等離激元共振，金屬納米陣列附近的局部電磁場強(qiáng)度顯著增加。當(dāng)熒光染料分子位于這個強(qiáng)場區(qū)域時，它們所經(jīng)歷的激發(fā)光強(qiáng)度也會大大增強(qiáng)，從而提高了熒光染料的吸收效率和發(fā)射亮度，這是近場效應(yīng)。除了近場效應(yīng)外，金屬納米結(jié)構(gòu)還可以通過散射作用來增強(qiáng)遠(yuǎn)處觀察點處的熒光信號。這是因為金屬納米陣列可以作為高效的天線，將熒光染料發(fā)出的光重新定向并放大，使得檢測到的熒光強(qiáng)度得到提升。

5、4.量子產(chǎn)率提高與熒光壽命縮短：強(qiáng)局域電磁場的作用下，熒光染料分子返回基態(tài)的速度會加快，即輻射衰減速率增加。這意味著更多的激發(fā)能量以熒光的形式釋放出來，而不是通過非輻射途徑損失掉，從而提高了熒光量子產(chǎn)率。在這個作用過程中，熒光染料靠近金屬表面時通常會發(fā)生淬滅效應(yīng)，但通過精心設(shè)計金屬納米陣列的幾何形狀和尺寸，可以使熒光染料保持在一個最佳距離范圍內(nèi)，既受益于電磁場增強(qiáng)又避免過度淬滅。

6、綜上所述，金屬納米陣列增強(qiáng)熒光染料的過程涉及表面等離激元共振、局域電磁場增強(qiáng)、熒光壽命縮短與量子產(chǎn)率提高等多個物理機(jī)制。然而，一部分發(fā)光機(jī)制特殊的熒光染料與金屬接觸時會產(chǎn)生熒光淬滅作用，這種現(xiàn)象涉及到物理和化學(xué)的多種機(jī)制。這種淬滅效應(yīng)通常會導(dǎo)致熒光強(qiáng)度顯著減弱或完全消失，并且其效率強(qiáng)烈依賴于熒光染料與金屬表面之間的距離。出現(xiàn)淬滅現(xiàn)象的原因主要包括：

7、1.非輻射能量轉(zhuǎn)移：熒光染料的能量通過非輻射的途徑轉(zhuǎn)移到金屬中。

8、2.等離激元耦合：金屬納米結(jié)構(gòu)的局域電磁場加快了熒光染料的輻射衰減速率。

9、3.動態(tài)衰減：熒光染料分子與金屬納米結(jié)構(gòu)接觸時發(fā)生碰撞產(chǎn)生衰減。

10、4.靜態(tài)淬滅：金屬表面與染料分子的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而進(jìn)入非發(fā)光狀態(tài)。

11、對于一些發(fā)光特性優(yōu)異但是與金屬直接接觸會產(chǎn)生熒光淬滅效應(yīng)的特殊染料，在等離激元納米激光領(lǐng)域，急需開發(fā)一種可以保留金屬等離激元特性并且避免淬滅現(xiàn)象的納米陣列。本發(fā)明針對上述問題，基于陽極氧化鋁模板開發(fā)了一種納米陣列，實現(xiàn)了在保留金屬等離激元效應(yīng)的前提下避免金屬與熒光染料直接接觸的目的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，而提出的基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，包括以下步驟：

4、s1.對鋁片進(jìn)行預(yù)處理：將鋁箔裁切成鋁片，將鋁片依次放入裝有乙醇、水、乙醇的容器中，超聲清洗后吹干備用；將所得鋁片浸泡在用高氯酸與乙醇的混合溶液制成的拋光液中，對鋁片表面進(jìn)行初步拋光；將初步拋光后的鋁片作為陰極，鉛板作為陽極，在電解液中將電壓設(shè)置為30?v，進(jìn)行電化學(xué)拋光，將拋光好的鋁片取出，沖洗吹干；

5、s2.在鋁片上預(yù)置圖案并且進(jìn)行陽極氧化：將400?nm周期的硬鎳膜覆蓋在步驟s1所得的鋁片上，在電動沖壓機(jī)5?mpa的壓力下，持續(xù)壓印，得到了具有400?nm周期孔狀結(jié)構(gòu)的鋁片；將所得鋁片置于4℃的氧化槽中，鋁片作為陽極，鉛板作為陰極，通以電流，氧化處理，即可得到孔狀結(jié)構(gòu)的陽極氧化鋁模板；

6、s3.化學(xué)刻蝕法制備十字陣列：將步驟s2所得的陽極氧化鋁模板放置在擴(kuò)孔液中，拿出沖洗后即可獲得基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列。

7、優(yōu)選的，步驟s1中，拋光液中高氯酸與乙醇的體積比為1：7。

8、優(yōu)選的，步驟s2中，氧化槽中用體積比為1：200：500的磷酸、乙二醇、水溶液作為氧化液。

9、優(yōu)選的，步驟s2中，氧化槽內(nèi)接通的電流為160?v，0.03?a，氧化時長為1?h。

10、優(yōu)選的，步驟s3中，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的磷酸溶液作為擴(kuò)孔液。

11、優(yōu)選的，步驟s3中，擴(kuò)孔溫度為水浴環(huán)境中維持在55?℃，在擴(kuò)孔前先對擴(kuò)孔液預(yù)熱30?min。

12、優(yōu)選的，步驟s3中，將陽極氧化鋁模板固定在玻璃基底上，將陽極氧化鋁模板和玻璃基底整體放置到擴(kuò)孔液的同時開始計時，控制擴(kuò)孔時間在15?min以上，通過定制不同的擴(kuò)孔時間從而獲得具有不同厚度氧化鋁層的十字型納米陣列。

13、優(yōu)選的，步驟s3中，在擴(kuò)孔結(jié)束后將目標(biāo)鋁片上殘留的擴(kuò)孔液用超純水沖洗干凈。

14、本發(fā)明的有益效果為：

15、1、滿足具有熒光淬滅效應(yīng)的熒光染料的發(fā)光需求：本方法提供了一種具有氧化鋁隔絕層的十字型納米陣列的制備方法，滿足與金屬直接接觸產(chǎn)生淬滅效應(yīng)的熒光染料的發(fā)光需求，有利于探究特殊熒光染料在放大自發(fā)輻射等領(lǐng)域的發(fā)光特性，從而更大程度上體現(xiàn)染料的發(fā)光優(yōu)勢。

16、2、結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)節(jié)：利用本方法制備的十字形納米陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)靈活可調(diào)，滿足定制不同尺寸十字陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)的需求。

17、3、波長匹配自由：利用本方法制備的陣列可以通過改變氧化鋁層的厚度來滿足不同熒光染料對發(fā)光波長的選擇與匹配。

18、4、較低的成本和廣泛的前景：陽極氧化鋁制備納米陣列高效便捷、結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍較廣，并且制備的陣列可用面積大，可以達(dá)到晶圓級別，是一種絕佳的納米陣列制備方法，在納米激光器以及非線性光學(xué)等領(lǐng)域具有極大潛力。

技術(shù)特征：

1.基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，其特征在于，步驟s1中，拋光液中高氯酸與乙醇的體積比為1：7。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，其特征在于，步驟s2中，氧化槽中用體積比為1：200：500的磷酸、乙二醇、水溶液作為氧化液。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，其特征在于，步驟s2中，氧化槽內(nèi)接通的電流為160?v，0.03?a，氧化時長為1?h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，其特征在于，步驟s3中，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的磷酸溶液作為擴(kuò)孔液。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，其特征在于，步驟s3中，擴(kuò)孔溫度為水浴環(huán)境中維持在55?℃，在擴(kuò)孔前先對擴(kuò)孔液預(yù)熱30?min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，其特征在于，步驟s3中，將陽極氧化鋁模板固定在玻璃基底上，將陽極氧化鋁模板和玻璃基底整體放置到擴(kuò)孔液的同時開始計時，控制擴(kuò)孔時間在15?min以上。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，其特征在于，步驟s3中，在擴(kuò)孔結(jié)束后將目標(biāo)鋁片上殘留的擴(kuò)孔液用超純水沖洗干凈。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及等離激元納米光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，公開了基于陽極氧化鋁模板的十字星形納米陣列制備方法，包括以下步驟：對鋁片進(jìn)行預(yù)處理、在鋁片上預(yù)置圖案并且進(jìn)行陽極氧化、化學(xué)刻蝕法制備十字陣列，本發(fā)明滿足具有熒光淬滅效應(yīng)的熒光染料的發(fā)光需求：本方法提供了一種具有氧化鋁隔絕層的十字型納米陣列的制備方法，滿足與金屬直接接觸產(chǎn)生淬滅效應(yīng)的熒光染料的發(fā)光需求，有利于探究特殊熒光染料在放大自發(fā)輻射等領(lǐng)域的發(fā)光特性，從而更大程度上體現(xiàn)染料的發(fā)光優(yōu)勢。

技術(shù)研發(fā)人員：王祎,張騰宇,馬明軒,丁天宇,楊城
受保護(hù)的技術(shù)使用者：青島哈爾濱工程大學(xué)創(chuàng)新發(fā)展中心
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15