一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法
2023-08-10 05:48:16 2
一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法
【專利摘要】一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，將納米粒子膠體溶液從蓋板-支架-基材結構側面邊緣滴加，並利用毛細力作用填充到蓋板-支架-基材結構所形成的間隙中；然後平移放置到水平熱板上，發生納米粒子的沉降和粘滯，形成一條納米粒子的密排單層線；溶液固-液-氣三相接觸線重複的粘滯-退卻過程，會在基材表面形成周期性分布的納米粒子密排單層線陣列；利用以上步驟所形成的納米粒子密排單層線陣列為掩膜對基材材料進行幹法刻蝕，通過控制刻蝕參數，形成不同結構的納米柱子、納米錐陣列結構，或者微米槽；本發明方法簡單，容易操作，成本低廉，工藝可控性較強，且可以高效率地製備較大面積的納米結構陣列。
【專利說明】一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米粒子自組裝【技術領域】，特別涉及一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法。
【背景技術】
[0002]眾所周知，半導體製造工藝或集成電路、微機電系統(MEMS)等製造工藝均需要採用價格高昂的設備，且光刻、鍍膜、刻蝕工藝步驟複雜，包括多層套刻等耗時費力，這些不可避免的問題使得人們在普通的應用領域無法解決。反而，越來越多的研究人員試圖通過簡單的化學自組裝等方法，在較短時間內，可開發出可用的成本低、步驟少、效率高和大面積的微納米表面結構，在三維微納米拓撲結構、智能表面、超疏水、表面增強拉曼散射和量子點螢光顯微的生物化學檢測等領域佔據一片天地。在林林總總的化學自組裝方法中，溶液蒸發的方法包括旋塗輔助蒸發、噴塗輔助蒸發、幾何約束輔助蒸發、提拉法輔助蒸發等比較成熟的工藝方法。首先，其中採用毛細力輔助和LB提拉法製備納米粒子陣列的方法十分誘人。另外，美國愛荷華大學的林志群課題組、麻州大學的Kim等人在Degan等人的研究基礎上開發出了利用咖啡圈效應製備納米材料的方法，包括納米膠體、CNT、石墨烯、量子點和嵌段共聚物材料等的微納米線陣列及其他特殊的表面結構，對包括新型有機太陽能電池在內的諸多研究前沿注入了新鮮血液。然而，不論是Kim等人採用刮板式，還是林課題組及其合作者的曲面-平面幾何約束下的蒸發誘導納米材料自組裝技術，都需要一些精密控制的裝置來控制液面的運動，或者形成梯度周期的結構，工藝複雜，成本高。
【發明內容】
[0003]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，方法簡單，容易操作，成本低廉，工藝可控性較強，且可以高效率地製備較大面積的納米粒子結構陣列。
[0004]為了達到上述目的，本發明採用以下技術方案予以實現。
[0005]一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，包括以下步驟:
[0006]I)將蓋板、薄膜和基材依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲衝洗後並氮氣吹乾，以薄膜為支架，將蓋板覆蓋在基材上，形成具有微米級間隙的蓋板-支架-基材結構；
[0007]2)將質量濃度為0.2wt%-lwt%的納米粒子膠體溶液從蓋板-支架-基材結構側面邊緣滴加，並利用毛細力作用填充到蓋板-支架-基材結構所形成的間隙中；
[0008]3)將填充有納米粒子膠體溶液所形成的蓋板-支架-基材結構平移放置到水平熱板上，水平熱板的溫度設置為55?75°C ；
[0009]4)納米粒子膠體溶液在水平熱板的溫度作用下發生快速蒸發，在咖啡圈效應下，發生納米粒子的沉降和粘滯；溶質中的納米粒子在局部的表面張力和基材的範德華力的共同作用下發生自組裝，形成一條納米粒子的密排單層線；當退卻的彎月面到達恢復平衡接觸角的狀態時，形成新的固-液-氣三相線；[0010]5)重複第4)步的粘滯-退卻過程，直至溶劑全部蒸發掉，會在基材表面形成周期性分布的納米粒子密排單層線陣列；
[0011]6)利用以上步驟所形成的納米粒子密排單層線陣列為掩膜對基材材料進行幹法刻蝕，通過控制刻蝕參數，形成不同結構的納米柱子或納米錐陣列結構；或者利用以上步驟所形成的納米粒子密排單層線陣列製作微米槽，首先，通過磁控濺射在分布有納米粒子密排單層線的基材上鍍厚度為納米級的金屬膜；然後放置到去離子水中進行超聲，剝離去除納米粒子單層線及粒子上覆蓋的金屬層，最後通過幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法進行各向同性刻蝕去除材料，利用金屬層與基材之間刻蝕選擇比製備納米金屬孔結構下的微米槽。
[0012]所述的蓋板是普通載玻片、石英玻璃、透明導電玻璃、鍍膜玻璃金屬片的無機材料，或者是聚甲基丙烯酸樹脂PMMA、聚二甲基矽氧烷PDMS、聚對二甲苯PET、聚醯亞胺P1、聚碳酸酯PC的有機材料的硬質薄片；
[0013]所述的基材是普通玻璃片、石英玻璃、透明導電玻璃、鍍膜玻璃或矽材料；
[0014]所述的用於納米粒子線陣列轉移的基材是矽，或者是具有聚合物薄膜的基底材料。
[0015]所述的支架材料為柔性的薄膜，包括聚醯亞胺薄膜，厚度在25-80 Pm之間，尺寸控制在長X寬為IOmmX2mm。
[0016]所述的納米粒子膠體溶液的納米粒子是二氧化娃納米粒子或聚苯乙烯納米粒子，粒徑在IOO-1OOOnm之間。
[0017]所述的納米粒子密排單層線陣列的周期控制在IO-1OOiim之間，線寬控制在2-10 iim 之間。
[0018]所述的納米柱子或納米錐的高度控制在IOOnm-1OOOnm量級之間。
[0019]所述的微米槽的寬度和深度控制在2-10 iim之間。
[0020]本發明採用的溶液通過注射器或滴管由支架邊緣滴加，並通過毛細力作用自動填充到平板間隙中。平板約束下的蒸發誘導納米粒子自組裝方法的主要控制要素包括納米粒子溶液的濃度、間隙高度、溫度、平板表面潤溼特性等。本發明工藝操作簡單，可重複性好，不需要額外的精密儀器對其進行位移操控，而且能夠實現低成本、高效率、大面積的納米結構的製備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的蓋板-支架-基材結構的示意圖，其中圖1 (a)為主視圖；圖1(b)為俯視圖；圖1 (C)為左視圖。
[0022]圖2是將納米粒子膠體溶液滴加到蓋板-支架-基材結構所形成的間隙中的示意圖，其中圖2 Ca)為納米粒子膠體溶液滴加到蓋板-支架-基材結構所形成的間隙邊緣的示意圖；圖2 (b)為納米粒子膠體溶液在毛細力作用下填充到蓋板-支架-基材結構所形成的間隙中的示意圖。
[0023]圖3是將填充有納米粒子膠體溶液的蓋板-支架-基材結構平移到恆溫的水平熱板上的示意圖。
[0024]圖4是納米粒子密排單層線陣列的示意圖，其中圖4 Ca)為納米粒子密排單層線陣列的俯視圖，圖4 (b)為納米粒子密排單層線陣列的左視圖；圖4 (c)為圖4 (b)中1-1的放大圖。
[0025]圖5是所製備的納米粒子密排單層線陣列的結構，其中圖5 Ca)為納米粒子成形的結構示意圖；圖5 (b)為納米粒子成形結構的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
[0026]圖6是所製備的納米柱子或納米錐陣列的結構；其中圖6 Ca)為納米柱子或納米錐結構的示意圖；圖6 (b)為納米柱子或納米錐結構的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
[0027]圖7是所製備的納米孔陣列及其微流道結構，其中圖7 Ca)為金屬納米孔陣列的俯視圖；圖7 (b)為金屬納米孔陣列及所製備的微米槽結構的主視圖；圖7 (C)為金屬納米孔陣列結構及微米槽結構的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
[0028]具體實施方法
[0029]下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
[0030]一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，包括以下步驟:
[0031]1)，參照圖1，將厚度為Imm的玻璃蓋板I，厚度為80 iim的聚醯亞胺薄膜2和厚度為500 y m的矽基材3依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲衝洗並氮氣吹乾後，以聚醯亞胺薄膜2為支架，將玻璃蓋板I覆蓋在矽基材3上，形成高度為80 ii m間隙的蓋板-支架-基材結構；
[0032]2 )，參照圖2，將質量濃度為0.5%的二氧化矽納米粒子膠體溶液4通過注射器從蓋板-支架-基材結構側面邊緣注入由聚醯亞胺薄膜2支撐形成的80 y m的間隙中，並利用毛細力作用填充到蓋板-支架-基材結構所形成的間隙中；
[0033]3)，參照圖3，將填充納米粒子膠體溶液所形成的蓋板-支架-基材結構平移放置到水平熱板5上，水平熱板5的溫度設置為70°C ；
[0034]4)，參照圖4，水平熱板溫度使得間隙中的納米粒子膠體溶液4發生蒸發，並通過間隙的開放區域擴散，在蒸發過程中，利用咖啡圈效應，即隨著溶劑的蒸發及作為溶質的納米粒子從體相溶液向固-液-氣三相線補充聚集，並發生沉降和粘滯；當接觸角達到臨界後退角時，溶質的粘滯力被體相溶液的表面張力所克服，固-液-氣三相線即發生迅速的退卻，納米粒子在局部的表面張力和基材的範德華力的共同作用下發生自組裝，形成一條納米粒子的密排單層線6 ;當退卻的彎月面7到達恢復平衡接觸角時，形成新的固-液-氣三相線；
[0035]5)，重複第4)步的粘滯-退卻過程，直至溶劑全部蒸發掉，會在基材表面形成周期性分布的納米粒子密排單層線陣列，如圖5所示；
[0036]6)，利用以上步驟所形成的納米粒子密排單層線陣列為掩膜對基材材料進行幹法刻蝕，通過控制刻蝕參數，刻蝕參數包括刻蝕氣體組分、流量、腔室壓力、射頻偏壓等，隨著刻蝕時間的不同形成不同結構的納米柱子陣列結構8，如圖6所示。利用以上步驟所形成的納米粒子密排單層線製作微米槽10，首先，通過磁控濺射在分布有納米粒子密排單層線的基材上鍍上IOnm的鉻過渡層和IOOnm的金膜；然後放置到去離子水中進行超聲，功率為60W，剝離去除納米粒子單層線及粒子上覆蓋的金屬層，在基材上形成金屬薄膜孔陣列9，最後通過幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法通過納米孔陣列的掩蔽作用對金屬薄膜孔陣列9下方的矽基材3進行各向同性刻蝕去除材料，利用金屬薄膜孔陣列9與矽基材3之間懸殊的刻蝕選擇比製備納米金屬孔結構下的微米槽10，如圖7所示。
[0037]所述的聚醯亞胺薄膜2厚度為80 u m,尺寸控制在長X寬為IOmmX 2mm。[0038]所述的二氧化娃納米粒子粒徑為500nm。
[0039]所述的納米粒子密排單層線陣列的周期控制在IO-1OOiim之間，線寬控制在2-10 iim 之間。
[0040]所述的納米柱子或納米錐的高度控制在300nm-500nm量級之間。
[0041]所述的微米槽10的寬度和深度控制在2-10 iim之間。
【權利要求】
1.一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)將蓋板、薄膜和基材依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲衝洗並氮氣吹乾後，以薄膜為支架，將蓋板覆蓋在基材上，形成具有微米級間隙的蓋板-支架-基材結構； 2)將質量濃度為0.2wt%-lwt%的納米粒子膠體溶液從蓋板-支架-基材結構側面邊緣滴加，並利用毛細力作用填充到蓋板-支架-基材結構所形成的間隙中； 3)將填充有納米粒子膠體溶液所形成的蓋板-支架-基材結構平移放置到水平熱板上，水平熱板的溫度設置為55~75°C ； 4)納米粒子膠體溶液在水平熱板的溫度作用下發生快速蒸發，在咖啡圈效應下，發生納米粒子的沉降和粘滯；溶質中的納米粒子在局部的表面張力和基材的範德華力的共同作用下發生自組裝，形成一條納米粒子的密排單層線；當退卻的彎月面到達恢復平衡接觸角的狀態時，形成新的固-液-氣三相線； 5)重複第4)步的粘滯-退卻過程，直至溶劑全部蒸發掉，會在基材表面形成周期性分布的納米粒子密排單層線陣列； 6)利用以上步驟所形成的納米粒子密排單層線陣列為掩膜對基材材料進行幹法刻蝕，通過控制刻蝕參數，形成不同結構的納米柱子或納米錐陣列結構；或者利用以上步驟所形成的納米粒子密排單層線陣列製作微米槽，首先，通過磁控濺射在分布有納米粒子密排單層線的基材上鍍厚度為納米級的金屬膜；然後放置到去離子水中進行超聲，剝離去除納米粒子單層線及粒子上覆 蓋的金屬層，最後通過幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法進行各向同性刻蝕去除材料，利用金屬層與基材之間刻蝕選擇比製備納米金屬孔結構下的微米槽。
2.根據權利要求1所述的一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，其特徵在於:所述的蓋板是普通載玻片、石英玻璃、透明導電玻璃、鍍膜玻璃金屬片的無機材料，或者是聚甲基丙烯酸樹脂PMMA、聚二甲基矽氧烷PDMS、聚對二甲苯PET、聚醯亞胺P1、聚碳酸酯PC的有機材料的硬質薄片。
3.根據權利要求1所述的一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，其特徵在於:所述的基材是普通玻璃片、石英玻璃、透明導電玻璃、鍍膜玻璃或矽材料。
4.根據權利要求1所述的一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，其特徵在於:所述的用於納米粒子線陣列轉移的基材是矽，或者是具有聚合物薄膜的基底材料。
5.根據權利要求1所述的一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，其特徵在於:所述的支架材料為柔性的薄膜，包括聚醯亞胺薄膜，厚度在25-SOiim之間，尺寸控制在長X寬為IOmmX2mm。
6.根據權利要求1所述的一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，其特徵在於:所述的納米粒子膠體溶液的納米粒子是二氧化娃納米粒子或聚苯乙烯納米粒子，粒徑在IOO-1OOOnm之間。
7.根據權利要求1所述的一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，其特徵在於:所述的納米粒子密排單層線陣列的周期控制在IO-1OOiim之間，線寬控制在2-10 iim之間。
8.根據權利要求1所述的一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，其特徵在於:所述的納米柱子或納米錐的高度控制在IOOnm-1OOOnm量級之間。
9.根據權利要求1所述的一種平板約束下的蒸發誘導納米粒子線自組裝方法，其特徵在於:所述的微米槽的寬 度和深度控制在2-10 iim之間。
【文檔編號】B82Y40/00GK103613064SQ201310548925
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月7日 優先權日:2013年11月7日
【發明者】邵金友, 丁玉成, 黎相孟, 陳小亮, 姜承寶 申請人:西安交通大學