[發明專利]一種基于壓電陶瓷振動激勵的膠體球垂直自組裝方法

無效

• 申請號: 201310429285.6
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103623748A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 朱國棟
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明涉及一種基于壓電陶瓷振動激勵的膠體球垂直自組裝方法。該方法將壓電陶瓷片振動激勵和垂直自組裝方法結合，實現了高有序性、大面積的單分散膠體球自組裝。

背景技術

單分散膠體球自組裝形成的有序結構被稱為膠體晶體。以這類膠體晶體為模板，可制備光子晶體、各種金屬的納米點陣以及各類有序多孔結構。近年來開發的單分散膠體球的自組裝方法包括：垂直沉積法、重力沉降法、旋涂法、物理限制自組裝法等。然而大面積有序的三維膠體晶體結構的制備仍存在挑戰。為了進一步減少自組裝制備的膠體晶體內部缺陷，本發明在垂直沉積法的基礎上，引入壓電陶瓷振動激勵，通過壓電振動產生的小的能量擾動，使得膠體球更容易遷移到能量極小位置，從而形成更大面積有序的膠體晶體結構。

發明內容

本發明的目的是提供一種簡單易行的基于壓電陶瓷振動激勵的膠體球垂直自組裝方法。

本發明所涉及材料包括：單分散膠體球溶液，平整基片，壓電陶瓷片。

本發明提出的基于壓電陶瓷振動激勵的單分散膠體球垂直自組裝方法，所述方法使用垂直沉積系統，所述系統由支架、壓電陶瓷片、平整基片、激勵電壓源和單分散膠體球溶液組成，所述單分散膠體球溶液置于燒杯內，平整基片垂直插入燒杯內，其上端與壓電陶瓷片底部連接，壓電陶瓷片連接激勵電壓源；具體步驟如下：

(1)?將單分散膠體球的水溶液用去離子水稀釋至質量濃度為0.1%至3%，并取稀釋后的單分散膠體球溶液置于燒杯中；

(2)?清潔的平整基片垂直插入步驟(1)所述燒杯中，并部分浸沒于稀釋的單分散膠體溶液中；

(3)?平整基片的上端與壓電陶瓷片底表面剛性連接；

(4)?將垂直沉積系統移至一恒溫恒濕箱內，調節恒溫恒濕箱內的溫度為室溫到75^oC，相對濕度為30%到70%；

(5)?在壓電陶瓷片上下電極間施加固定頻率、固定振幅的驅動電壓，使得壓電陶瓷片在厚度方向上振蕩，從而帶動與之剛性連接的壓電陶瓷片在與單分散膠體球液面垂直的方向上振動；控制驅動電壓頻率在1kHz以下，電壓幅值要確保陶瓷片振動振幅為100-800nm；

(6)?根據恒溫恒濕箱內的溫度和濕度，溶液完全揮發所需時間為5小時到36小時；待溶液揮發后，膠體球在壓電陶瓷基片表面自組裝成有序結構；

(7)?待溶液揮發完之后，由箱內取出燒杯，取出壓電陶瓷基片，在壓電陶瓷基片表面即可獲得大面積有序密排的膠體晶體結構。

本發明中，所述單分散膠體球為單分散聚苯乙烯膠體球。

在實際操作過程中，應根據膠體球粒徑、膠體球溶液濃度、成膜溫度等參數，合理優化壓電陶瓷片振動振幅和頻率。對于質量濃度0.6%的206nm粒徑的聚苯乙烯膠體球，在控制溫度60^oC,相對濕度60%情況下，優化的壓電陶瓷激勵頻率為300Hz，振動振幅為310nm。

本發明的制備方法成本低廉，操作簡單，可很容易地制備粒徑介于90nm~800nm范圍內的膠體晶體結構。相對于單純的垂直沉積方法，本發明所制備膠體晶體結構缺陷更少，有序面積更大。

附圖說明

圖1為基于壓電陶瓷振動激勵的單分散膠體球垂直沉積法的裝置示意圖，圖中標號：1為支架；2為壓電陶瓷片；3為平整基片；4為激勵電壓源；5為單分散膠體球溶液。

圖2為某市面上購置的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片振動振幅與激勵電壓幅值和頻率的關系。其中數據點1為激勵電壓頻率為10Hz時測得數據；數據點2為激勵電壓頻率為300Hz時測得數據。

圖3為不同激勵振幅條件下獲得的膠體晶體膜的光學顯微鏡(圖a1,?a2,?a3)和原子力顯微鏡(圖b1,?b2,?b3)圖像。圖b1、b2和b3中插圖分別為相應的傅里葉變換譜。其中光學圖像成像面積1mm²，原子力顯微鏡圖像成像面積10×10μm²。膠體球粒徑206nm，激勵電壓頻率300Hz。圖a1和b1為不施加激勵電壓情況下的膠體晶體圖像；圖a2和b2對應的激勵電壓頻率300Hz，振動振幅310nm；圖a3和b3對應的激勵電壓頻率300Hz、振動振幅1.68μm。

圖4為不同溫度下獲得的膠體晶體膜的光學顯微鏡圖像，成像面積為0.20mm²。圖a、b、c所對應的成膜溫度分別為室溫(~25^oC)、50℃和75^oC。膠體球粒徑206nm，壓電激勵頻率300Hz，振幅310nm。

具體實施方式