一种单层胶体球薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种单层胶体球薄膜及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：将胶体球和第一溶剂的分散液与扩散剂混合，形成胶体球‑扩散剂‑溶剂混合液；将第二溶剂与第一溶剂混合，分层，形成第二溶剂层与第一溶剂层的交界面；将胶体球‑扩散剂‑溶剂混合液滴加到第二溶剂层中，胶体球落在第二溶剂层与第一溶剂层的界面处，扩散并自主装成膜；将薄膜转移到基底表面，干燥后得到单层胶体球薄膜。本发明专利技术提供的制备方法采用液‑液界面代替传统的气‑液界面，减少了胶体球薄膜的“三角”缺陷和裂纹的形成，可获得更大面积无缺陷的单层胶体球薄膜。

【技术实现步骤摘要】
一种单层胶体球薄膜及其制备方法
本专利技术属于纳米球刻蚀
，具体涉及一种单层胶体球薄膜及其制备方法。
技术介绍
在现代光学中，对光在纳米尺度上进行操控，则需要器件的功能结构单元也在纳米尺度。光刻蚀法是目前应用最广泛、技术最成熟的刻蚀方法，可以实现大尺度有序结构的制备，但由于受到衍射条件的限制，其分辨率有限，难以满足纳米尺寸结构单元的制备。聚焦离子束刻蚀、电子束刻蚀等方法虽然具有较高的分辨率，可用于纳米结构的加工，但由于其制备过程复杂、设备昂贵、生产效率低，因此难以满足工业大规模应用的需求。纳米球刻蚀法(又称二维胶体晶体刻蚀法)是一种以纳米球自组装形成的有序薄膜为掩模板，通过蒸镀、溅射、电沉积等方法在衬底上沉积金属材料，从而制备二维纳米有序阵列的方法。与其他刻蚀方法相比，其具有成本低、生产效率高、产量大的巨大优势。纳米球刻蚀利用尺寸分布窄的纳米胶体球(如聚苯乙烯球)的自组装效应在基板上形成六方最密堆积的周期结构，这些密集排列的球体之间会产生有序的纳米尺度的空隙，以胶体球为掩模板，从而可以在基板上沉积形成二维纳米颗粒阵列。显然，如果胶体球的排列出现瑕疵，将会影响形成的纳米颗粒阵列的有序性。因此获得大面积、高质量的胶体球薄膜，是纳米球刻蚀技术的关键。传统的纳米球模板一般是由气-液界面自组装、旋涂或Langmuir-Blodgett(L-B)拉膜等方法制备。其中，制备单层胶体球薄膜，使用最为广泛的方法是气-液界面自组装法。以聚苯乙烯球为例，该方法是通过将聚苯乙烯球-乙醇-水混合液滴加到铺有一层水的基底上，利用乙醇与水互溶的扩散作用，以及水的表面张力，使得小球可以在水与空气的交界面上单层有序地排列，待水分和乙醇蒸发后，在基底上形成单层聚苯乙烯球薄膜。然而此方法滴加速度难以控制，且随着扩散溶质越来越多，水溶液的表面张力持续变化，会使得小球排序不稳定，部分小球会扩散到水溶液中，在最后水分蒸发过程中，容易形成“三角”的缺陷。此外，这种方法中聚苯乙烯球薄膜的形成是借助水和空气界面来完成的，但是空气扰动难以控制，会导致薄膜发生肉眼可见的移动和裂纹形成。因此，在本领域有待于对现有的胶体球薄膜的制备方法进行改进，以减少胶体球薄膜的“三角”缺陷、裂纹缺陷，提高薄膜品质。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种单层胶体球薄膜及其制备方法。该方法采用液-液界面代替传统的气-液界面进行胶体球薄膜的制备，减少了胶体球薄膜“三角”缺陷和裂纹的形成，可获得更大面积无缺陷的单层胶体球薄膜。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种单层胶体球薄膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将胶体球和第一溶剂的分散液与扩散剂混合，形成胶体球-扩散剂-溶剂混合液；(2)将第二溶剂与第一溶剂混合，分层，形成第二溶剂层与第一溶剂层的交界面；所述第二溶剂与第一溶剂不相容，所述第二溶剂的密度低于所述第一溶剂的密度，所述胶体球不溶于所述第二溶剂；(3)将步骤(1)得到的胶体球-扩散剂-溶剂混合液滴加到步骤(2)中所述第二溶剂层中，胶体球落在所述第二溶剂层与第一溶剂层的界面处，扩散并自主装成膜；(4)待所述第二溶剂层挥发后，将步骤(3)形成的薄膜转移到经过亲水性处理的基底表面，干燥后得到单层胶体球薄膜。本专利技术提供的制备方法采用了第二溶剂代替空气，采用第二溶剂与第一溶剂形成的液-液界面代替传统的气-液界面，进行胶体球薄膜的制备。一方面，第二溶剂可以起到缓冲作用，减弱滴加过程中胶体球-扩散剂-溶剂混合液滴与第一溶剂表面的碰撞效果，避免了沃辛顿射流的产生，增大了胶体球利用第一溶剂的表面张力漂浮并自组装成膜的概率。因此，在滴加胶体球-扩散剂-溶剂混合液滴后，胶体球会缓慢落到第二溶剂与第一溶剂的界面处，并迅速铺展开形成单层胶体球薄膜，与直接在气-液界面滴加相比，明显减少了胶体球向第一溶剂中的扩散，从而增大了胶体球的利用率，也增大了连续薄膜的面积；另一方面，胶体球在交界面迅速铺展，同时借助扩散剂和重力的效果，明显地减少了“三角”缺陷的产生。除此之外，液-液界面环境也比气-液界面更加稳定，避免了气流对胶体球薄膜的扰动，从而减少了薄膜裂纹的产生。需要说明的是，根据本专利技术提供的制备方法，本领域技术人员可以理解，所述第一溶剂和第二溶剂需要具有以下性质：1.不溶解胶体球；2.互相不相容，且有一定密度差，以相互分层，形成液-液界面；3.胶体球在第二溶剂中下沉，且可以漂浮于第一溶剂表面。本领域技术人员可以据此选择合适的第一溶剂和第二溶剂种类。本专利技术步骤(3)的滴加过程需要贴近液体表面，并且滴加速率缓慢，保证液滴下落冲量不足以在第一溶剂层产生沃辛顿射流。作为本专利技术的优选技术方案，所述第一溶剂的密度略小于胶体球的密度，且具有足够大的表面张力，可以维持胶体球的漂浮状态。这样，在第二溶剂挥发过程中，即使第一溶剂中扩散有胶体球，也会因重力下沉，减少了薄膜转移过程中扩散到第一溶剂中的胶体球对薄膜的破坏，从而进一步减少“三角”缺陷。作为本专利技术的优选技术方案，所述胶体球的直径为200-1000nm，步骤(1)中所述分散液与扩散剂的体积比为1:1-5。优选地，所述胶体球的直径为200-350nm(例如可以是200nm、220nm、250nm、280nm、300nm、320nm或350nm等)，步骤(1)中所述分散液与扩散剂的体积比为1:3-5(例如可以是1:3、1:3.2、1:3.5、1:3.8、1:4、1:4.2、1:4.5、1:4.8或1:5等)。优选地，所述胶体球的直径为350-750nm(例如可以是350nm、380nm、400nm、420nm、450nm、480nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm或750nm等)，步骤(1)中所述分散液与扩散剂的体积比为1:1.5-3(例如可以1:1.5、1:1.8、1:2、1:2.2、1:2.5、1:2.8或1:3等)。优选地，所述胶体球的直径为750-1000nm(例如可以是750nm、780nm、800nm、820nm、850nm、880nm、900nm、920nm、950nm、980nm或1000等)，步骤(1)中所述分散液与扩散剂的体积比为1:1-1.5(例如可以1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4或1:1.5等)。本专利技术中，在分散液中胶体球的质量浓度相同的情况下，优选分散液与扩散剂的体积比随胶体球的直径增大而减小。若胶体球的尺寸较小时，扩散剂的添加量较少，则胶体球在第二溶剂层与第一溶剂层交接处可能不发生自组装，大量胶体球扩散到水中；若胶体球的尺寸较大时，扩散剂的添加量较多，则可能导致形成的薄膜中胶体球过于分散，不紧密排列。作为本专利技术的优选技术方案，步骤(1)中所述分散液中胶体球的质量浓度为1.5-3％；例如可以是1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.3％、2.5％、2.8％或3％等。进一步优选为2.5％。作为本专利技术的优选技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单层胶体球薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：/n(1)将胶体球和第一溶剂的分散液与扩散剂混合，形成胶体球-扩散剂混合液；/n(2)将第二溶剂与第一溶剂混合，分层，形成第二溶剂层与第一溶剂层的交界面；/n所述第二溶剂与第一溶剂不相容，所述第二溶剂的密度低于所述第一溶剂的密度，所述胶体球不溶于所述第二溶剂；/n(3)将步骤(1)得到的胶体球-扩散剂-溶剂混合液滴加到步骤(2)中所述第二溶剂层中，胶体球落在所述第二溶剂层与第一溶剂层的界面处，扩散并自主装成膜；/n(4)待所述第二溶剂层挥发后，将步骤(3)形成的薄膜转移到经过亲水性处理的基底表面，干燥后得到单层胶体球薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种单层胶体球薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将胶体球和第一溶剂的分散液与扩散剂混合，形成胶体球-扩散剂混合液；
(2)将第二溶剂与第一溶剂混合，分层，形成第二溶剂层与第一溶剂层的交界面；
所述第二溶剂与第一溶剂不相容，所述第二溶剂的密度低于所述第一溶剂的密度，所述胶体球不溶于所述第二溶剂；
(3)将步骤(1)得到的胶体球-扩散剂-溶剂混合液滴加到步骤(2)中所述第二溶剂层中，胶体球落在所述第二溶剂层与第一溶剂层的界面处，扩散并自主装成膜；
(4)待所述第二溶剂层挥发后，将步骤(3)形成的薄膜转移到经过亲水性处理的基底表面，干燥后得到单层胶体球薄膜。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶体球的直径为200-1000nm，步骤(1)中所述分散液与扩散剂的体积比为1:1-5；
优选地，所述胶体球的直径为200-350nm，步骤(1)中所述分散液与扩散剂的体积比为1:3-5；
优选地，所述胶体球的直径为350-750nm，步骤(1)中所述分散液与扩散剂的体积比为1:1.5-3；
优选地，所述胶体球的直径为750-1000nm，步骤(1)中所述分散液与扩散剂的体积比为1:1-1.5。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述分散液中胶体球的质量浓度为1.5-3％，优选为2.5％。


4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述胶体球的材质为聚苯乙烯；
优选地，所述第一溶剂为水；
优选地，所述扩散剂为乙醇；
优选地，所述第二溶剂为正己烷。


5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘言军，方啸国，王振铭，郑昌雄，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44