一种新型的胶体晶体自组装方法技术

本发明专利技术提出了一种新型的胶体晶体自组装方法。该方法可精确调控胶体晶体的层数，特别适用于制备层数较少的胶体晶体，而且不同层的胶体晶体可由不同的胶体粒子构成。首先将带电荷种类与胶体粒子表面电荷种类相异的聚电解质吸附到基底或已有胶体晶体表面，接着，在基底或已有胶体晶体表面形成一层水膜，并利用气/液界面形成单层的胶体晶体。然后，待水分挥发，由于异性电荷相吸，新形成的单层胶体晶体会牢固的附着在基底或已有胶体晶体表面。重复上述过程，即可获得所需层数的胶体晶体。该方法在胶体晶体的多个应用领域(如光学、传感器、生物编码和太阳能电池等)具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于胶体粒子自组装领域，特别涉及一种层数精确可控、有序、大面积的胶体晶体自组装制备方法。
技术介绍
胶体晶体是由单分散的、直径在微米或亚微米级别的无机或有机颗粒(也称胶体粒子)，在重力、静电力或毛细管力等作用下组装形成的二维或三维有序阵列结构。与通常晶体相比，胶体晶体中占据每一个晶格点的是尺度远大于分子、原子或离子的胶体颗粒，用扫描电子显微镜甚至光学显微镜就能够很方便地进行观察，因而可作为研究晶体结构的一种模型体系。此外，胶体晶体可作为模板来制备各种各样的多孔材料，并成为一种常用的制备有序大孔材料和光子晶体的方法。同时，胶体晶体的晶格在可见光范围可发生布拉格衍射，使胶体晶体材料呈现不同的颜色，可用于光子带隙材料、传感器和生物编码检测等领域。胶体晶体如此广泛的用途引起科研人员的极大重视，成为非常活跃的研究领域。由单分散胶体粒子制备的胶体晶体可按维度划分为二维和三维两种，主要通过各种自组装的方法制备。二维胶体晶体的制备方法主要有LB膜转移法、溶剂蒸发诱导法、气液界面自组装法和旋涂法等。三维胶体晶体的制备方法主要有沉积法、垂直提拉法、电泳沉积法和过滤法等。这些方法已经可以制备出质量较高、厚度或层数一定程度可控的胶体晶体。然而，由于现有二维胶体晶体的制备方法一般不适合制备双层或数层胶体粒子构成的胶体晶体，而三维胶体晶体的制备方法很难得到层数精确可控的、仅由数层胶体粒子构成的胶体晶体，因此，如何制备层数精确可控、高质量、大面积的准二维胶体晶体(层数很少的三维胶体晶体)是亟需解决的一个问题。此外，已有方法很难在胶体晶体中引入可控的层缺陷，例如胶体晶体中的某一或某些层由不同粒径或材质的胶体粒子构成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷与不足，开发一种新型的制备胶体晶体的方法。本专利技术提供的胶体晶体制备方法包括下列步骤：1)基底表面的处理：如基底表面所带电荷与胶体粒子相同，首先，对基底的表面进行清洁处理；接着，使其吸附带有相反电荷的聚电解质；然后，使基底的某一局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质。如基底表面所带电荷与胶体粒子相反，首先，对基底的表面进行清洁处理；接着，使其局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质。2)制备首层胶体晶体：在表面处理后的基底表面铺上一层水膜，选择在步骤1)所述的局部表面处注入微球的分散液，使其在气/液界面处自组装形成单层胶体晶体，待水膜完全挥发后，即可在基底表面形成单层胶体晶体。3)制备第二层胶体晶体：首先，使步骤2)制备的单层胶体晶体表面吸附聚电解质，该聚电解质所带电荷与胶体粒子表面电荷相反；接着，使样品的某一局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质；然后，在胶体晶体表面铺上一层水膜，在上述局部表面处注入微球的分散液，使其在气/液界面处自组装形成单层的胶体晶体；最后，待水膜完全挥发后，在步骤2)制备的单层胶体晶体表面形成第二层胶体晶体。4)重复步骤3)，制备所需层数的胶体晶体。其中，所述基底为玻璃、硅片、透明导电玻璃、TiO2等无机材料基底或聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷等有机聚合物基底。所述表面清洁处理包括超声清洗、氧等离子体处理、紫外线臭氧处理或其它任何报道的表面清洁方法。所述聚电解质有两类：一类为电离后带正电荷的聚电解质，如聚(丙烯胺盐酸盐)(PAH)；另一类为电离后带负电荷的聚电解质，如聚(4-苯乙烯磺酸钠)(PSS)。对这些聚电解质的分子量无特殊要求。所述吸附聚电解质是指将清洁处理后的基底或已制备的胶体晶体浸泡在聚电解质的水溶液中。聚电解质的水溶液浓度无特别限制，优选为0.1wt％至10wt％。浸泡时间无特别限制，优选为20s至10min。所述局部表面是指基底或已形成的胶体晶体的局部表面，该局部表面的位置通常位于样品的边缘，该局部表面的表面积优选为0.8cm2以上。所述局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质是指将样品的一部分浸泡在所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质水溶液中。所述在气/液界面处自组装形成单层胶体晶体是指将胶体粒子的分散液以一定的速度注入到特定位置处的水膜表面，由于该位置处的基底或已形成的胶体晶体表面与分散液中胶体粒子所带电荷相同，又由于胶体粒子分散液中含有乙醇，胶体粒子会移动至气/液界面处，并发生自动排序，随着分散液的注入，气液界面上自动排序的胶体粒子面积逐渐增大，最终可覆盖几乎全部的气液界面，在与分散液中胶体粒子所带电荷相异区域的水膜表面形成单层胶体晶体。所述特定位置是指吸附了所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质的局部表面。所述胶体粒子分散液的注射速度优选为0.1μl/min至10μl/min。所述胶体粒子可为SiO2微球、聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球等。这些微球的平均粒径无特别限制，优选为100nm至10μm，粒径的多分散性应在5％以下。胶体粒子分散液的溶剂为水和乙醇的混合溶剂，两者的体积比为1:1。胶体粒子分散液的浓度无特别限制，优选为1wt％至10wt％。所述水膜挥发指在空气中自然干燥。本专利技术提供的胶体粒子自组装方法与现有技术的区别在于：1、本专利技术选用了更广泛的基底材料，可以选用无机材料基底或聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷等有机聚合物基底，由于有机物基底具有柔韧性，甚至是可拉伸性能，对于制备柔性器件(如太阳能电池、传感器)更有利。2、本专利技术首先在表面处理后的基底表面或胶体晶体表面铺上一层水膜，接着在水膜与空气的界面处(液/气界面)进行微球的自组装排列，保证了微球排列的有序性，然后再使水膜干燥，使经过自组装排列后的微球与基底或前一层微球通过静电力结合，从而提高了胶体晶体的强度。本专利技术兼顾了胶体晶体的有序度和强度，所获得的胶体晶体呈大面积有序排列(如图2、3所示)，相同取向的胶体晶体面积可大于1cm2，在铅笔硬度测试中，制备的胶体晶体的硬度有较大提高。3、通过一层一层的自组装制备胶体晶体，可制备任意层数的胶体晶体，而且层数精确可控。且可在胶体晶体中引入可控的层缺陷，即胶体晶体中的某一或某些层可由不同粒径或材质的胶体粒子构成。附图说明图1为本专利技术在表面带有负电荷的基底上自组装制备胶体晶体的示意图；其中，1为表面带有负电荷的基底、2为带正电荷的聚电解质、3为水膜、4为表面带有负电荷的胶体粒子。图2为基底表面单层胶体晶体的扫描电镜俯视图。图3为基底表面双层胶体晶体的扫描电镜俯视图。图4为基底表面双层胶体晶体的扫描电镜截面图。具体实施方式本专利技术用下列实施例来进一步说明本专利技术的技术特征，但本专利技术的保护范围并非限于下列实施例。实施例1：步骤1：将载玻片(市售产品)依次在洗涤剂溶液和去离子水中各超声清洗15min后，将其浸泡在硫酸(98％，市售产品)和过氧化氢溶液(30％，市售产品)混合而成的溶液中(体积比3:1)。浸泡过夜后，载玻片用去离子水冲洗，再用氮气吹干，获得表面带有负电荷的基底。步骤2：将表面清洁处理后的载玻片浸泡在3wt％的PAH(分析纯，市售产品)水溶液中，1min后取出，用去离子水冲洗，再用氮气吹干。步骤3：将步骤2处理后的载玻片的一端浸泡在3wt％的PSS(分析纯，市售产品)水溶液中，控制液面以下的载玻片面积约为1.5cm2(局部表面A)，1min后取出，用去本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型的胶体晶体自组装方法，其特征在于：所述制备方法包括下列步骤：1)基底表面的处理：如基底表面所带电荷与胶体粒子相同，首先，对基底的表面进行清洁处理；接着，使其吸附带有相反电荷的聚电解质；然后，使基底的局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质；如基底表面所带电荷与胶体粒子相反，首先，对基底的表面进行清洁处理；接着，使其局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质；2)制备首层胶体晶体：在表面处理后的基底表面铺上一层水膜，选择在步骤1)所述的局部表面处注入微球的分散液，使其在气/液界面处自组装形成单层胶体晶体，待水膜完全挥发后，即可在基底表面形成单层胶体晶体；3)制备第二层胶体晶体：首先，使步骤2)制备的单层胶体晶体表面吸附聚电解质，该聚电解质所带电荷与胶体粒子表面电荷相反；接着，使样品的局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质；然后，在胶体晶体表面铺上一层水膜，在上述局部表面处注入微球的分散液，使其在气/液界面处自组装形成单层的胶体晶体；最后，待水膜完全挥发后，在步骤2)制备的单层胶体晶体表面形成第二层胶体晶体；4)重复步骤3)，制备所需层数的胶体晶体。

【技术特征摘要】
1.一种新型的胶体晶体自组装方法，其特征在于：所述制备方法包括下列步骤：1)基底表面的处理：如基底表面所带电荷与胶体粒子相同，首先，对基底的表面进行清洁处理；接着，使其吸附带有相反电荷的聚电解质；然后，使基底的局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质；如基底表面所带电荷与胶体粒子相反，首先，对基底的表面进行清洁处理；接着，使其局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质；2)制备首层胶体晶体：在表面处理后的基底表面铺上一层水膜，选择在步骤1)所述的局部表面处注入微球的分散液，使其在气/液界面处自组装形成单层胶体晶体，待水膜完全挥发后，即可在基底表面形成单层胶体晶体；3)制备第二层胶体晶体：首先，使步骤2)制备的单层胶体晶体表面吸附聚电解质，该聚电解质所带电荷与胶体粒子表面电荷相反；接着，使样品的局部表面吸附所带电荷与胶体粒子相同的聚电解质；然后，在胶体晶体表面铺上一层水膜，在上述局部表面处注入微球的分散液，使其在气/液界面处自组装形成单层的胶体晶体；最后，待水膜完全挥发后，在步骤2)制备的单层胶体晶体表面形成第二层胶体晶体；4)重复步骤3)，制备所需层数的胶体晶体。2.如权利要求1所述的新型的胶体晶体自组装方法，其特征在于：所述基底为玻璃、硅片、透明导电玻璃、TiO2无机材料基底或聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷有机聚合物基底。3.如权利要求1所述的新型的胶体晶体自组装方法，其特征在于：所述表面清洁处理包括超声清洗、氧等离子体处理、紫外线臭氧处理。4.如权利要求1所述的新型的胶体晶体自组装方法，其特征在于：所述聚电解质有两类：一类为电离后带正电荷的聚电解质：PAH；另一类为电离后带负电荷的聚电解质：PSS；所述吸附聚电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帅，赵悦，成军，杨泓远，袁宁一，丁建宁，陈丽芬，
申请(专利权)人：常州大学，常州天合光能有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32