Способ изготовления наноразмерных металлических мембран

Изобретение относится к области изготовления мембран с отверстиями нанометрового размера, применяемых в медицине, фармацевтике, биотехнологии, аналитической химии, электронике. На сплошную ацетатную подложку, высаженную на поддерживающую медную сетку, напыляют слой металла, поверх которого напыляют слой материала с меньшим коэффициентом распыления, удаляют ацетатную подложку и производят ионное травление полученной двухслойной пленки до удаления верхнего слоя и образования наноотверстий в металлическом слое. В результате получена металлическая мембрана со средним радиусом отверстий 28,98 нм и плотностью отверстий 23,6·10⁶ 1/мм³. Способ обеспечивает получение наноразмерных металлических мембран с отверстиями от 5 до 100 нм. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области изготовления мембран с отверстиями нанометрового размера, применяемых в медицине, фармацевтике, биотехнологии, аналитической химии, электронике.

Известен способ изготовления полимерных трековых наномембран (Патент СССР №1809777, МПК5 В01D 67/00. "Способ производства трековых мембран". Опубликован 15.04.93. Бюл. №14).

Недостаткам способа является невозможность изготовления металлических наноразмерных мембран, которые в ряде случаев имеют значительное преимущество по сравнению с полимерными, в частности являются более прочными и стойкими при контакте с агрессивными средами и при высоких температурах.

Целью заявляемого изобретения является получение наноразмерных металлических мембран с отверстиями от 5 до 100 нм.

Поставленная цель достигается тем, что на сплошную ацетатную подложку, выраженную на поддерживающую медную сетку, напыляют слой металла, поверх которого напыляют слой материала с меньшим коэффициентом распыления, удаляют ацетатную подложку и производят ионное травление полученной двухслойной пленки до удаления верхнего слоя и образования наноотверстий в металлическом слое.

Способ основан на том, что при распылении металлов ионами (ионное траление) низких (100-300 эВ) и средних энергий (1÷10 кэВ) на поверхности металла возникает случайная микрошероховатость, характеризующаяся наличием вершин и впадин, которая обуславливается как шероховатостью исходной поверхности металла, так и избирательным ионным травлением в местах уменьшенной энергией связи атомов с решеткой (границы зерен, дефекты кристаллической структуры отдельных кристаллитов и т.д.).

При постепенном стравливании тонкой металлический пленки равномерным по плотности потоком ионов через определенное время дно впадин начинает достигать нижней границы металлического слоя и при сохранении общей целостности металлической пленки в ней появляются микроотверстия. При этом средняя толщина металлической пленки заметно уменьшается.

При наличии на металлической пленке слоя материала с меньшим коэффициентом распыления вначале происходит стравливание (распыление) этого материала. При этом оно также происходит неравномерно по вершинам и впадинам. Через некоторое время ионный поток через впадины в слое этого материала достигает поверхности металлической пленки в отдельных в точках, что сопровождается эффектом возрастания амплитуды шероховатости металлической пленки и при дальнейшем ее травлении к появлению микроотверстий.

Появление отверстий в металлической пленке в этом случае не приводит к значительному уменьшению ее средней толщины, и к моменту полного стравливания верхнего слоя получается более толстая наноразмерная металлическая мембрана, чем в отсутствие верхнего слоя с меньшим коэффициентом распыления.

Равномерность размещения отверстий мембраны по поверхности обеспечивается равномерностью плотности ионного потока.

Пример выполнения способа.

На высаженную на медной сетке ацетатную подложку нанесли одним из методов (катодного распыления мишеней или термического испарения в вакууме) слой серебра толщиной 80 нм (коэффициент распыления серебра ионами аргона с энергией Е=4 кэВ, составляет ˜9,5).

Поверх слоя серебра нанесли теми же методами нанесли пленку из углерода толщиной 10 нм, (коэффициент распыления углерода ионами аргона с энергией Е=4 кэВ, составляет 2).

Ацетатную подложку удалили растворением в ацетоне.

Ионное травление производили с помощью сканирующего пучка ионов аргона с энергией Е=4кэВ или плазменным потоком в течение ˜3 минут до появления ионного тока на коллекторе расположенном за пленкой. Диаметр облучаемой области составлял 1 мм.

Величина ионного тока при ионном травлении составляла 2,8 мкА.

Ионный ток на коллекторе за пленкой измерялся с помощью электрометрического усилителя имеющего чувствительность на уровне 10^-4 мкА. На фиг.1 приведена зависимость ионного тока за пленкой от времени травления. На фиг.2 приведена фотография пленки в области, облученной ионным потоком, которая снята на просвечивающем электронном микроскопе BS - 540 при увеличении ×15000. Белые точки соответствуют отверстиям в пленке. На фиг.3 приведен результат статистической обработки фотографии, выполненный с помощью специальной компьютерной программы.

В результате реализации заявляемого способа была получена металлическая (серебряная) мембрана со средним радиусом отверстий 28,98 нм и плотностью отверстий 23,6·10⁶ 1/мм³.

1. Способ изготовления наноразмерных металлических мембран, отличающийся тем, что на сплошную ацетатную подложку, высаженную на поддерживающую медную сетку, напыляют слой металла, поверх которого напыляют слой материала с меньшим коэффициентом распыления, удаляют ацетатную подложку и производят ионное травление полученной двухслойной пленки до удаления верхнего слоя и образования наноотверстий в металлическом слое.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве напыляемых металлов используют золото, серебро.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала с меньшим коэффициентом распыления используют углерод.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что напыление материалов на подложку производят путем термического испарения в вакууме соответствующих веществ.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что напыление материалов на подложку производят путем катодного распыления мишеней из соответствующих материалов.

6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что ионное травление производят равномерным по плотности потоком ионов аргона с энергией 3÷6 кэВ.

7. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что ионное травление производят равномерным по плотности плазменным потоком ионов ксенона с энергией 200÷300 эВ.