表面金属基纳米阵列球布阵结构的制备方法

摘要

一种纳米材料技术领域的表面金属基纳米阵列球布阵结构的制备方法，包括将金属基材依次进行表面除油处理、表面除锈处理以及酸洗处理；对金属基材实施电镀；对金属基材进行化学镀后制得表面金属基纳米阵列球布阵结构，本发明在电沉积过程中，通过加入结晶调整剂，控制活性点的数量并使得电结晶在每一个时刻都依赖活性点向镀液中延伸，使结晶按垂直于金属基材表面的方向一维纵向生长，形成微纳米针状晶布阵结构。之后利用化学镀方法，加入还原剂与缓冲剂，使纳米针上长出相近尺度的纳米球。此方法最大的优点在于不需要借助任何模版，无需复杂设备，对底材形状材质无特殊要求，适于工业化批量生产。

权利要求

1.一种表面金属基纳米阵列球布阵结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、选取合适的金属基材，将金属基材依次进行表面除油处理、表面除锈处理以及酸洗处理；

第二步、将金属基材放入电镀槽中作为阴极，镍金属片或者不溶极板作为阳极，并用导线将阳极、阴极、电镀电源和电镀液串联构成回路，然后通过电镀电源对金属基材实施电镀；

第三步、将电镀后的金属基材放入另一含有化学镀液的镀槽中2min，进行化学镀后制得表面金属基纳米阵列球布阵结构；

所述的金属基材为铜片；

所述的电镀液的组分及浓度为：氯化镍0.1-2.5mol/L、柠檬酸三胺0.1-2mol/L、硼酸0.5mol/L和氯化铜1-1000ppm；

所述的化学镀液的组分及浓度为：六水合硫酸镍0.1-2.5mol/L、亚磷酸二氢钠0.1-2.5mol/L、柠檬酸三钠0.1-2.5mol/L和乙酸钠0.1-2.5mol/L。

2.根据权利要求1所述的表面金属基纳米阵列球布阵结构的制备方法，其特征是，所述的表面除油处理是指：将金属基材表面粘附的油污有机物质去除。

3.根据权利要求1所述的表面金属基纳米阵列球布阵结构的制备方法，其特征是，所述的表面除锈处理是指：将金属基材表面的氧化层无机物质去除。

4.根据权利要求1所述的表面金属基纳米阵列球布阵结构的制备方法，其特征是，所述的酸洗处理，是指将金属基材在具有腐蚀性的溶液中浸泡。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种纳米材料技术领域的制备方法，具体是一种表面金属基纳米阵列球布阵结构的制备方法。

背景技术

这种纳米布阵结构是指金属或非金属表面具有微纳米尺度的复合有序阵列结构，在底部具有纵向针状结构，在针的顶端为球状结构，即针上长球。由于这种结构真实表面积大，具有高反应活性，其跳棋式结构会产生许多新的特性，所以应用范围十分广阔。例如：(1)微电子封装领域，利用其特殊结构，使框架与塑封树脂间的结合强度大大增强。(2)可用于金属与金属，金属与陶瓷之间的复合材料。(3)表面积增大使其具有良好的光散射特性和吸收特性，可以作为光学材料、激光隐身材料、光热转换材料。(4)把纳米球作为模(板)制成特殊结构的材料。(5)可以产生荷叶效应，良好的疏水性可作为疏水材料。目前，微纳米布阵结构多是从器件角度来研究的，一般尺寸大都在微米和毫米之间。有关制备方法主要是模(板)法和LIGA(软X射线深层光刻电铸成形技术)法。经过对现有技术的检索发现，马迪等在“AAO样模法电沉积镍纳米线表征及电化学行为研究”(功能材料，1001-9731(2004)增刊-2836-03)一文中提到模板法，具体是将多孔氧化膜作为模板，然后在模板上电沉积金属微粒，从而制备出纳米阵列，再通过化学方法将模板溶掉的一种方法。另外，吴广峰等在“LIGA工艺基础及其发展趋势”(机电工程技术，1009-9492(2007)12-0089-04)中提到LIGA法，即采用光刻制版、电铸成型、去模板等复杂步骤进行微结构加工的方法。但是两种现有技术均存在工艺复杂，效率低，成本高，设备投资大，对基材尺寸与形状有严格要求等缺点。因此，只适用于微器件制造或研究目的。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种表面金属基纳米阵列球布阵结构的制备方法，利用电化学沉积原理，将导电性金属基材作为阴极置于含有结晶调整剂的电镀溶液中，并施加电流或电压，使电结晶按垂直于表面的方向纵向一维生长，然后在金属表面形成类似针状结构的纳米阵列。再将金属基材置于化学镀溶液中，然后在纳米阵列上沉积一层球状晶结构。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
第一步、选取合适的金属基材，将金属基材依次进行表面除油处理、表面除锈处理以及酸洗处理。
所述的表面除油处理是指：将金属基材表面粘附的油污有机物质去除。
所述的表面除锈处理是指：将金属基材表面的氧化层无机物质去除。
所述的酸洗处理，是指将金属基材在具有腐蚀性的溶液中浸泡。
第二步、将金属基材放入电镀槽中作为阴极，镍金属片或者不溶极板作为阳极，并用导线将阳极、阴极、电镀电源和电镀液串联构成回路，然后通过电镀电源对金属基材实施电镀。
所述的电镀液的组分及浓度为：金属离子0.1-2.5mol/L、络合剂0.1-2mol/L、硼酸0.5mol/L和结晶调整剂1-1000PPM，该电镀液的溶液温度25-60℃，pH3.5-6.0。
所述的金属离子是指：镍、铜、铁或铝中的一种或其组合。
所述的络合剂是指：柠檬酸盐、苹果酸盐、乙二胺四乙酸盐、醋酸盐、乙二胺中一种或其组合。
所述的结晶调整剂，由Cu、Ag、Pd、Au、Zn、Sn、Ca以及Y、La、Ce、Eu稀土金属离子构成。
所述的实施电镀为直流电镀、单脉冲电镀或双脉冲电流电镀。
第三步、将电镀后的金属基材放入另一含有化学镀液的镀槽中2min，进行化学镀后制得表面金属基纳米阵列球布阵结构。
所述的化学镀液的组分及浓度为：金属及其合金的沉积金属离子0.1-2.5mol/L、还原剂0.1-2.5mol/L、柠檬酸三钠0.1-2.5mol/L和乙酸钠0.1-2.5mol/L，该化学镀液的溶液温度5℃-150℃，pH3.5-6.0。
所述的金属离子是指：镍、铜、铁或铝中的一种或其组合。
所述的还原剂是指亚磷酸二氢钠。
本发明在电沉积过程中，通过加入结晶调整剂，控制活性点的数量并使得电结晶在每一个时刻都依赖活性点向镀液中延伸，使结晶按垂直于金属基材表面的方向一维纵向生长，形成微纳米针状晶布阵结构。之后利用化学镀方法，加入还原剂与缓冲剂，使纳米针上长出相近尺度的纳米球。此方法最大的优点在于不需要借助任何模版，无需复杂设备，对底材形状材质无特殊要求，适于工业化批量生产。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
(1)将需要进行疏水处理的铜片表面进行除油、除锈及酸洗处理。
(2)将经(1)步骤处理好的金属基材置于电镀溶液中，金属基材作为阴极，镍板作为阳极，通过导线将两者以及电源、电镀液构成回路。电镀液组成为：氯化镍0.1mol/L，柠檬酸三氨0.1mol/L，硼酸0.5mol/L，结晶调整剂氯化铜1ppm，溶液温度60℃，pH6。
(3)调整电流密度1A/min，电镀20min。
(4)将经(3)步骤处理好的金属基材置于化学镀溶液中，溶液组成为：六水合硫酸镍0.1mol/L，亚磷酸二氢钠0.1mol/L，柠檬酸三钠0.1mol/L，乙酸钠0.2mol/L，溶液温度60℃，pH7.5，时间2min。
结果：经SEM观察，纳米镀针高度0.05-0.4微米，底部直径0.05-0.2微米，纳米球直径0.05-0.2微米。
实施例2
(1)将需要进行疏水处理的铜片表面进行除油、除锈及酸洗处理。
(2)将经(1)步骤处理好的金属基材置于电镀溶液中，金属基材作为阴极，镍板作为阳极，通过导线将两者以及电源、电镀液构成回路。电镀液组成为：氯化镍2.5mol/L，柠檬酸三氨2mol/L，硼酸0.5mol/L，结晶调整剂氯化铜1000ppm，溶液温度25℃，Ph3.5。
(3)调整电流密度1A/min，电镀20min。
(4)将经(3)步骤处理好的金属基材置于化学镀溶液中，溶液组成为：六水合硫酸镍0.5mol/L，亚磷酸二氢钠0.5mol/L，柠檬酸三钠0.5mol/L，乙酸钠1.5mol/L，溶液温度80℃，pH8，时间2min。
结果：经SEM观察，纳米镀针高度0.05-0.4微米，底部直径0.05-0.2微米，纳米球直径0.05-0.2微米。
实施例3
(1)将需要进行疏水处理的铜片表面进行除油、除锈及酸洗处理。
(2)将经(1)步骤处理好的金属基材置于电镀溶液中，金属基材作为阴极，镍板作为阳极，通过导线将两者以及电源、电镀液构成回路。电镀液组成为：氯化镍1.3mol/L，柠檬酸三氨1mol/L，硼酸0.5mol/L，结晶调整剂氯化铜500ppm，溶液温度40℃，pH4。
(3)调整电流密度1A/min，电镀20min。
(4)将经(3)步骤处理好的金属基材置于化学镀溶液中，溶液组成为：六水合硫酸镍2.5mol/L，亚磷酸二氢钠1.3mol/L，柠檬酸三钠1.3mol/L，乙酸钠1.3mol/L，溶液温度40℃，pH9.5，时间2min。
结果：经SEM观察，纳米镀针高度0.05-0.4微米，底部直径0.05-0.2微米，纳米球直径0.05-0.2微米。
实施例4
(1)将需要进行疏水处理的铜片表面进行除油、除锈及酸洗处理。
(2)将经(1)步骤处理好的金属基材置于电镀溶液中，金属基材作为阴极，镍板作为阳极，通过导线将两者以及电源、电镀液构成回路。电镀液组成为：氯化镍0.7mol/L，柠檬酸三氨0.5mol/L，硼酸0.5mol/L，结晶调整剂氯化铜100ppm，溶液温度30℃，pH4.5。
(3)调整电流密度1A/min，电镀20min。
(4)将经(3)步骤处理好的金属基材置于化学镀溶液中，溶液组成为：六水合硫酸镍0.7mol/L，亚磷酸二氢钠0.7mol/L，柠檬酸三钠0.7mol/L，乙酸钠0.7mol/L，溶液温度90℃，pH9，时间2min。
结果：经SEM观察，纳米镀针高度0.05-0.4微米，底部直径0.05-0.2微米，纳米球直径0.05-0.2微米。
实施例5
(1)将需要进行疏水处理的铜片表面进行除油、除锈及酸洗处理。
(2)将经(1)步骤处理好的金属基材置于电镀溶液中，金属基材作为阴极，镍板作为阳极，通过导线将两者以及电源、电镀液构成回路。电镀液组成为：氯化镍1.9mol/L，柠檬酸三氨1.5mol/L，硼酸0.5mol/L，结晶调整剂氯化铜800ppm，溶液温度50℃，pH5。
(3)调整电流密度1A/min，电镀20min。
(4)将经(3)步骤处理好的金属基材置于化学镀溶液中，溶液组成为：六水合硫酸镍1.9mol/L，亚磷酸二氢钠1.9mol/L，柠檬酸三钠1.9mol/L，乙酸钠1.9mol/L，溶液温度70℃，pH10.0，时间2min。
结果：经SEM观察，纳米镀针高度0.05-0.4微米，底部直径0.05-0.2微米，纳米球直径0.05-0.2微米。