金离子注入聚合物

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1、通过阴极电弧等离子体离子注入聚合物所形成的纳米金属中表面等离子体共振特性F.S.TeixeiraPolytechnicSchool,UniversityofSãoPaulo,AvenidaProfessorLucianoGualberto,TravessaR-158,CEP05508-900SãoPaulo,BrazilM.C.SalvadoriaandMauroCattaniInstituteofPhysics,UniversityofSãoPaulo,C.P.66318,CEP05315-970SãoPaulo,SãoPaulo,BrazilS.M.CarneiroLabora

2、tóriodeBiologiaCelular,InstitutoButantã,CEP05503900SãoPaulo,SãoPaulo,BrazilI.G.BrownbLawrenceBerkeleyNationalLaboratory,1CyclotronRoad,Berkeley,California94720摘要：通过非常低能量（49eV）金离子注入到聚甲基丙烯酸甲酯（简称PMMA）聚合物中得到了金纳米团簇沉积浅表面层。离子注入过程通过计算机模拟仿真，准确地预测层深度和宽度。透射电子显微镜TEM被用来观测埋层和独立纳米团簇的图像；层的宽度为6-8nm和纳米团簇的直径为5-6

3、纳米。通过紫外可见光谱得到其表面等离子体共振（SPR）吸收系数。透射电镜和SPR的测量结果表明与之前所测量的金掺杂PMMA的电导率有关。在低注入剂量，各自纳米团簇是分离的，彼此不会接触，或在较高注入剂量，纳米团簇之间互相接触，形成一个随机电阻网络（渗流模型）。在这两种情况下，实验结果都可以通过电导率模型很好地得到解释。1.引言贵重金属纳米粒子独特的性质被认可了一段时间。当波长为λ>>D的光照射直径为D的团簇，一个大振幅电磁场产生的过程中会发生共振，这就是所谓的表面等离子体共振（SPR）。谐振波长取决于团簇的构成和形状与周围介质，而SPR产生的光强度取决于纳米粒子的大小和聚集状态。上

4、述几个纳米粒子的参数都相当可调，可以通过光学响应控制。此特点开启了光电子、金属表面等离子激元、化学探测设备和生物技术等广泛的、潜在的应用领域。通过把纳米金属簇植入聚合物，一可以结合聚合物的特性形成材料，如高介电常数和光学透明性，二可以结合金属的特性形成材料，如电导率和表面等离子体共振。通过这种方式，可以形成带有新的光学性质的金属聚合物复合材料。在聚合物中的近表面层形成金属纳米粒子簇的一种方法是用金属离子注入聚合物。植入的离子形成金属原子的埋层，典型的埋层只有几纳米到几十纳米，随后由于其化学亲和能聚集形成团簇。可以通过离子注入剂量来控制簇的大小，直至在高剂量限制的金属微粒差不多完全融

5、合于聚合物表面之下，进而在聚合物表面之上形成金属薄膜。在这里工作的过程中，我们已经把低能金离子注入到聚合物，在金属聚合物表面下形成一个尺寸小于10纳米的金纳米粒子层。所使用的聚合物是PMMA。这种材料被广泛用作电子束抗蚀剂，也就是一种可以通过电子束光刻技术进行改进进而在聚合物的表层制作微米和纳米结构。PMMA也可以通过其他方式石印，例如通过使用X射线，离子束和深紫外线，甚至通过使用扫描探针显微镜。通过掺杂金属纳米团簇形成的聚合物复合材料同样也可以像PMMA本身那样被石印。此外，PMMA和金，这种金属掺杂物是比较相容的，适用于目前的工作，能显著增加在这里探讨过的经改进的PMMA的表层

6、的潜在应用。通常是利用一个经由一个适当的离子源形成的离子束完成离子注入，但这种方法变得非常困难，而且当需要非常低的离子能量时要全身心地投入。我们已改为使用串流，单向漂移和通过真空电弧等离子枪形成的电荷中性的等离子体。这是一个独特的真空电弧等离子体，这种通过在放电的阴极形成的金属等离子体，具有定向的离子能量，通常在20-200eV的范围内，具体大小取决于阴极材料和金属等离子体的离子种类;对于金来说，离子漂移能量是49eV.这种等离子体可以被看作是，实际上的确是一个低能量的离子束，这种离子束是在冷海背景、空间电荷中和电子内并且能够提供一个非常方便的方式完成低能离子注入。一些技术性的困难

7、是可以避免的并且所需的实验装置变得相当简单。根据之前我们研究的注入了金的PMMA在绝缘聚合物和导电掺杂聚合物之间的转换状态的导电率的结果来选择目前的工作的金离子注入剂量。之前的工作与目前的工作是相关的，我们在这里总结一下。金-PMMA的导电埋层是通过这里描述的方式形成，根据离子注入剂量在原位测量电导率。可以用渗透理论框架来描述在这种状态下的传导性原理。简言之，电子在包含有固定在绝缘介质的小传导区域的颗粒材料传输可以发生在以下两种可能的过程或者其组合。当传导元件处于几何