在银纳米粒子上镀薄类金刚石碳膜的工艺优化及其传感性能研究

摘要

本文采用自行设计的射频等离子体增强化学气相沉积设备(RFPECVD)在生物玻璃基板上沉积了超薄类金刚石碳(DLC)膜，并采用探针轮廓仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜、摩擦磨损仪、紫外-可见分光光度计等设备分别对薄膜的厚度、成分、结构、表面形貌、粗糙度、摩擦系数、透过率等进行表征，研究了不同参数条件下超薄DLC膜的结构和性能，优化了超薄DLC膜的制备工艺。结果表明，DLC膜厚度受射频功率、沉积时间及丁烷流量的影响:射频功率越大，沉积时间越长，气体流量越大，厚度越厚。DLC膜的厚度与时间近似呈线性关系，在不同条件下，沉积速率均在20nm/min～30nm/min之间。在射频输入功率600W、丁烷流量1.5sccm、氩气流量25sccm、基础真空度9.8×10-3pa、沉积时间2min时制备的DLC膜的厚度适宜、表面光滑致密、颗粒分布均匀，具有较高的sp3键含量和透过率，摩擦学性能优异。
　　 用电化学方法在ITO玻璃基板上沉积银纳米粒子，粒子直径约50nm，粒子局部团聚，有较好的吸收峰。采用上述优化工艺在银纳米粒子上沉积不同厚度的DLC膜，构成了新的LSPR界面。对新LSPR界面进行了成分、结构、性能的表征，研究了DLC膜的厚度对LSPR界面灵敏度的影响规律。结果表明，沉积1～2min后，银纳米粒子变得更大、更高，镀膜后的粗糙度先增大、后减小，DLC膜优先在银纳米粒子表面沉积;由于小颗粒银有更高的沉积速率，所以沉积1min后，其粒径分布更均匀，LSPR吸收峰变得更高、更尖锐;银纳米粒子对DLC膜的厚度十分敏感，尤其是在1min以内，镀膜前、后红移量随厚度增加而迅速上升;银纳米粒子的灵敏度随DLC膜厚度增加迅速下降，沉积DLC膜30s后样品的灵敏度约等于初始灵敏度的一半，沉积1min后灵敏度变得很小;不同沉积条件下沉积相同时间的样品具有不同的灵敏度，但灵敏度的变化不大;沉积DLC膜后的灵敏度强烈依赖于银纳米粒子的初始灵敏度，粒子分布密度、粒子尺寸大小、粒子形状等都将对镀膜后的灵敏度有决定性影响。同时，本文还研究了LSPR吸收峰与薄膜厚度之间的关系，在银纳米粒子表面沉积DLC膜后，LSPR吸收峰红移量与薄膜厚度成周期性波动关系，并且第一个峰的宽度是其他峰的一半，第一个峰的高度比其他峰更低。基于实验所观察的现象，本文探讨了短程和长程传感器的物理机理，定性解释了红移量与厚度之间的关系，讨论了制备长程生物传感器的可行性，为制备长程生物传感器奠定了一定的理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 局域表面等离子体共振效应(LSPR)

1．2．1 LSPR产生的物理机理

1．2．2 影响LSPR效应的因素

1．3 贵金属纳米粒子的制备方法

1．3．1 液相化学还原法

1．3．2 气相沉积法与蚀刻技术法

1．4 LSPR效应的应用

1．4．1 生物传感器

1．4．2 表面增强拉曼散射(SERS)

1．4．3 表面增强荧光光谱(SEFS)

1．5 DLC膜的组成与结构

1．6 DLC膜的生长机理与制备方法

1．6．1 DLC膜的生长机理

1．6．2 DLC膜的制备方法

1．7 DLC膜的性质与应用

1．7．1 DLC膜的力学性能、机械性能及其应用

1．7．2 DLC膜的光学性能与应用

1．7．3 DLC膜在生物医学上的应用

1．8 DLC膜应用研究中存在的问题

1．9 本文的研究内容和研究意义

第二章 实验方法与原理

2．1 银纳米粒子的制备与表征

2．1．1 实验材料

2．1．2 银纳米粒子的制备

2．1．3 银纳米粒子的表征方法

2．2 在玻璃基板上沉积DLC碳膜

2．2．1 实验材料

2．2．2 DLC薄膜的制备

2．3 射频等离子体增强化学气相沉积设备及其原理

2．3．1 射频等离子体增强化学气相沉积的工作原理

2．3．2 射频等离子体增强化学气相沉积的主要工艺参数

2．4 DLC膜的制备工艺

2．4．1 沉积DLC膜的操作过程

2．4．2 DLC膜的制备工艺参数

2．5 DLC膜的表征方法

第三章 金银纳米粒子沉积厚DLC膜的性能分析

3．1 金银纳米粒子的SEM形貌分析

3．2 沉积DLC膜前后金银纳米粒子的LSPR性能

3．3 红移量与沉积时间的关系

第四章 超薄DLC膜的制备工艺

4．1 DLC膜的厚度分析

4．2 超薄DLC膜的形貌与粗糙度分析

4．2．1 不同气体流量DLC膜的AFM形貌

4．2．2 不同气体流量和沉积时间DLC膜的AFM形貌

4．2．3 不同沉积时间DLC膜的AFM形貌

4．3 DLC膜的XPS分析

4．4 DLC膜的透过率和摩擦性能分析

第五章 沉积薄DLC膜的银纳米粒子的LSPR性能

5．1 沉积薄DLC膜后的LSPR性能研究

5．1．1 沉积DLC膜后银纳米粒子的SEM形貌圈和AFM形貌圈

5．1．2 银纳米粒子沉积薄DLC膜后的拉曼光谱和XPS分析

5．1．3 银纳米粒子沉积薄DLC膜后的紫外可见光谱及其灵敏度

5．2 不同沉积条件下新LSPR界面的性能

5．2．1 沉积DLC膜后银纳米粒子的AFM形貌圈

5．2．2 银纳米粒子沉积DLC膜后的拉曼光谱分析

5．2．3 银纳米粒子沉积DLC膜后的灵敏度

5．2．4 不同沉积条件下样品的灵敏度

5．3 不同粒径银纳米粒子沉积DLC膜后的LSPR性能

5．3．1 银纳米粒子的SEM形貌和AFM形貌

5．3．2 银纳米粒子沉积DLC膜后的拉曼光谱分析与XPS分析

5．3．3 沉积DLC膜后新LSPR界面的灵敏度

5．4 本章小结

第六章 红移量与厚度的关系及长程传感器的可行性分析

6．1 红移量与DLC膜沉积时间的关系

6．2 金属介电常数的影响因素

6．3 薄膜厚度对透射光电磁场强度的影响

6．4 长程传感器的物理机理

6．5 共振增强LSPR效应

第七章 结论

7．1 本文结论

7．2 本文主要创新点

7．3 对进一步研究的建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文