一种多级微纳米结构复合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种多级微纳米结构复合材料的制备方法及其应用。所述方法包括如下步骤：S1：采用纳米颗粒自组装法在基板上制备有序纳米颗粒薄膜，纳米颗粒尺寸为50

【技术实现步骤摘要】
一种多级微纳米结构复合材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于新型结构材料和防伪
，具体是一种多级微纳米结构复合材料的制备方法及其应用，更具体地是一种光子晶体耦合等离子体的多级微纳米结构薄膜材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着社会的发展和科技的进步，新型结构材料在人们生活和
发挥了越来越重要的作用。信息防伪就是其中一种重要的应用领域。
[0003]自然界中我们所看到的颜色主要可以分为两种类型：色素色和结构色。然而由于色素分子易于受到环境尤其是光氧化作用而发生结构改变，颜色会逐渐变化或者消失，发生褪色的不稳定现象，使得其在防伪领域中的应用受到很大的限制。结构色是材料的微观结构与光的相互作用呈现的一种物理色，其具有以下几种特点：(1)只与材料微观结构和本身性质相关，具有不褪色的特点；(2)具有角度依赖作用，颜色会随着观察角度的改变而改变；(3)由于结构间距与可见光的波长范围相适应，色彩的饱和度更高。
[0004]光子晶体是一种有序排列的结构材料，由于材料介电常数的不同，能够阻止光在某一波段以及其某一方向上的传播，从而产生光子带隙，发生具有角度依赖性的衍射，在可见光下可以展现出绚烂的结构色彩。
[0005]现阶段，制备多级微纳米结构材料的方法主要有需要昂贵光刻模板的模板诱导去润湿技术、规则性差，重复性低的化学生长方法等；热处理去润湿制造纳米结构材料的方法，具有面积大的特点，但是却存在耗时长，无法得到局部精确处理的劣势需要得到改进。因此，如何构建模板、调控金属薄膜和模板尺寸的比例、调控激光能量密度方面是本技术最大的挑战。

技术实现思路

[0006]针对上述需求以及现有技术中存在的不足，本申请专利技术人使用激光在单层纳米阵列结构上精确控制能量诱导去润湿，提供一种新型制备纳米结构材料制备方法和防伪薄膜的应用，以期实现低成本、耗时短、精准可控的实现多级结构的构建。
[0007]本专利技术利用光子晶体的结构色特性，再结合金属纳米颗粒的表面等离子共振效应对光谱的调制效果，制备出了一种具有新型结构的防伪薄膜材料，在特定角度下可以显示或隐藏一种颜色、同时显示两种或多种颜色、同时显示的颜色色彩和对比度不同等效果，从而达到选定区域信息显示和防伪效果。
[0008]根据本专利技术的方法，基本流程包括：在固体表面自组装形成单层有序纳米颗粒结构作为模板，接着在纳米颗粒模板表面镀上金属薄膜，然后激光照射处理薄膜形成单、多纳米颗粒，获得金属纳米颗粒附着在有序纳米颗粒表面的结构，该薄膜材料可应用于信息防伪、颜色传感、光电催化和表面增强光学检测等领域。该结构阵列不仅在介电纳米颗粒材料和尺寸，金属纳米颗粒材料和尺度可调，还可以通过激光烧结过程调控金属纳米颗粒的形
态和分布，从而实现多功能特征。
[0009]为实现上述专利技术目的，提供一种制备多级微纳米结构复合材料的方法，该方法利用激光诱导金属薄膜去润湿的方法在有序纳米自组装结构材料上制备纳米金属阵列，形成多级微纳米结构复合材料。
[0010]根据本专利技术的制备多级微纳米结构复合材料的方法包括如下步骤：
[0011]S1：采用纳米颗粒自组装法在基板上制备有序纳米颗粒薄膜，纳米颗粒尺寸为50
‑
1000nm；
[0012]S2：使用薄膜沉积法，在S1形成的纳米颗粒薄膜表面形成一层厚度为10
‑
80nm的金属薄膜；
[0013]S3：采用激光照射，对在S2制备得到的金属薄膜表面进行处理，使金属薄膜去润湿而形成不同纳米结构金属颗粒附着在有序纳米颗粒上的多级微纳米结构复合材料，例如二级或三级纳米结构。
[0014]根据本专利技术的方法，进一步地，步骤S3可以按如下方式实施：
[0015]例如使用三相位移平台精确控制激光照射处理金属薄膜的位置，并根据预定的图案控制移动的顺序和长度，以得到具有防伪效果的结构。
[0016]优选地，在制备有序纳米颗粒薄膜前对基板进行切割、清洗和表面处理等步骤。
[0017]根据本专利技术，所述清洗可以通过选自超声清洗、酸性食人鱼溶液清洗和等离子体清洗中的一种或者几种进行。
[0018]根据本专利技术，所述基板为选自硅片、玻璃、陶瓷等耐高温且表面平整的基板。
[0019]根据本专利技术，在S1中在基板上形成的有序纳米颗粒可以为氧化硅纳米颗粒、聚苯乙烯纳米颗粒、二氧化钛等高熔点胶体颗粒。
[0020]根据本专利技术，基板(例如硅片)的大小例如可为1～100cm2。
[0021]在一实施方式中，所述有序纳米颗粒薄膜为单层纳米颗粒阵列结构，优选地，采用垂直沉降法，例如参照Zhang J T et al.Vertical spreading of two
‑
dimensional crystalline colloidal arrays[J].Journal of Materials Chemistry C,2013,1，在基板上制备所述单层纳米颗粒阵列结构。
[0022]根据本专利技术，优选采用气
‑
液界面排水蒸发法形成单层纳米颗粒阵列结构，所述气
‑
液界面排水蒸发法通过如下进行：首先，向水中滴加纳米颗粒的例如无水乙醇、去离子水、正丁醇等水性分散液，通过一颗亲水处理的玻璃珠引流把亲水纳米颗粒紧密的铺张在水面上；其次，在形成稳定结构后，通过在下方缓慢排水，在毛细管力的作用下驱动颗粒自主转移到亲水处理后的基板表面；等待水排干后自然风干，原本密排在水面上的纳米颗粒转移到基材上平铺成规则的单层有序的纳米颗粒阵列结构。
[0023]在所述方法中，在将亲水纳米颗粒紧密的铺张在水面上后，由于纳米颗粒在水面上所受到表面张力的支撑作用力，可以克服本身密度比水大的纳米颗粒的重力作用，纳米颗粒短时停留在水面上。
[0024]该方法操作简便，设备要求极低、操作容易，可以实现大面积和批量样品制备。优选地，采用逐渐滴加纳米颗粒无水乙醇、水或正丁醇分散液的方法，50
‑
300微升的纳米颗粒无水乙醇、水或正丁醇分散液，滴加10～20分钟，优选地，纳米颗粒无水乙醇、水或正丁醇分散液浓度为1.0～10.0wt％；优选干燥需在无尘环境下，20
±
2℃，40～60％湿度下自然风
干。
[0025]根据本专利技术，所述亲水处理可以本领域常规的方式进行，例如酸性食人鱼浸泡处理、碱性食人鱼浸泡处理、等离子体亲水改性等。
[0026]根据本专利技术，在S1中，有序纳米颗粒的尺寸优选为300
‑
1000nm，若超出此范围，则使用的自组装方法以及随后的工序对工艺要求更加严苛。在该尺寸下的纳米颗粒尺寸能够作为限制颗粒位置的良好模板，小于该尺寸则可能出现去润湿不完全等问题，难以作为模板构建下一步的纳米阵列结构，需要对工艺、设备等进行更加严密地调整。
[0027]根据本专利技术，在S2中，金属薄膜沉积可以采用磁控溅射法、热蒸镀法、原子层沉积法等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备多级微纳米结构复合材料的方法，其包括如下步骤：S1：采用纳米颗粒自组装法在基板上制备有序纳米颗粒薄膜，纳米颗粒尺寸为50
‑
1000nm；S2：使用薄膜沉积法，在S1形成的纳米颗粒薄膜表面形成一层厚度为5
‑
100nm的金属薄膜；S3：采用激光照射，对在S2制备得到的金属薄膜表面进行处理，使金属薄膜去润湿而形成不同纳米结构金属颗粒附着在有序纳米颗粒上的多级微纳米结构复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S3按如下方式实施：精确控制激光照射处理金属薄膜的位置，并根据预定的图案控制移动的顺序和长度。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基板为硅片、玻璃或陶瓷。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在S1中，在基板上形成的有序纳米颗粒为氧化硅纳米颗粒、聚苯乙烯纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒。5.根据权利要求1所述的方法，其中，在S1中，所述有序纳米颗粒薄膜为单层纳米颗粒阵列结构，优选地，采用垂直沉降法或气
‑
液界面排水蒸发法在基板上制备所述单层纳米颗粒阵列结构。6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在S2中，金属薄膜的厚度为10
‑
80nm，优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：水玲玲，郑泽宇，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：