[發(fā)明專(zhuān)利]一種平板約束下的蒸發(fā)誘導(dǎo)納米粒子線(xiàn)自組裝方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310548925.5
• 申請(qǐng)日: 2013-11-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103613064A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邵金友;丁玉成;黎相孟;陳小亮;姜承寶
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B82B3/00
• 分類(lèi)號(hào): B82B3/00;B82Y40/00
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米粒子自組裝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種平板約束下的蒸發(fā)誘導(dǎo)納米粒子線(xiàn)自組裝方法。

背景技術(shù)

眾所周知，半導(dǎo)體制造工藝或集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等制造工藝均需要采用價(jià)格高昂的設(shè)備，且光刻、鍍膜、刻蝕工藝步驟復(fù)雜，包括多層套刻等耗時(shí)費(fèi)力，這些不可避免的問(wèn)題使得人們?cè)谄胀ǖ膽?yīng)用領(lǐng)域無(wú)法解決。反而，越來(lái)越多的研究人員試圖通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)自組裝等方法，在較短時(shí)間內(nèi)，可開(kāi)發(fā)出可用的成本低、步驟少、效率高和大面積的微納米表面結(jié)構(gòu)，在三維微納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、智能表面、超疏水、表面增強(qiáng)拉曼散射和量子點(diǎn)熒光顯微的生物化學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域占據(jù)一片天地。在林林總總的化學(xué)自組裝方法中，溶液蒸發(fā)的方法包括旋涂輔助蒸發(fā)、噴涂輔助蒸發(fā)、幾何約束輔助蒸發(fā)、提拉法輔助蒸發(fā)等比較成熟的工藝方法。首先，其中采用毛細(xì)力輔助和LB提拉法制備納米粒子陣列的方法十分誘人。另外，美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)的林志群課題組、麻州大學(xué)的Kim等人在Degan等人的研究基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了利用咖啡圈效應(yīng)制備納米材料的方法，包括納米膠體、CNT、石墨烯、量子點(diǎn)和嵌段共聚物材料等的微納米線(xiàn)陣列及其他特殊的表面結(jié)構(gòu)，對(duì)包括新型有機(jī)太陽(yáng)能電池在內(nèi)的諸多研究前沿注入了新鮮血液。然而，不論是Kim等人采用刮板式，還是林課題組及其合作者的曲面-平面幾何約束下的蒸發(fā)誘導(dǎo)納米材料自組裝技術(shù)，都需要一些精密控制的裝置來(lái)控制液面的運(yùn)動(dòng)，或者形成梯度周期的結(jié)構(gòu)，工藝復(fù)雜，成本高。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種平板約束下的蒸發(fā)誘導(dǎo)納米粒子線(xiàn)自組裝方法，方法簡(jiǎn)單，容易操作，成本低廉，工藝可控性較強(qiáng)，且可以高效率地制備較大面積的納米粒子結(jié)構(gòu)陣列。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

一種平板約束下的蒸發(fā)誘導(dǎo)納米粒子線(xiàn)自組裝方法，包括以下步驟：

1）將蓋板、薄膜和基材依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲沖洗后并氮?dú)獯蹈桑员∧橹Ъ?，將蓋板覆蓋在基材上，形成具有微米級(jí)間隙的蓋板-支架-基材結(jié)構(gòu)；

2）將質(zhì)量濃度為0.2wt%-1wt%的納米粒子膠體溶液從蓋板-支架-基材結(jié)構(gòu)側(cè)面邊緣滴加，并利用毛細(xì)力作用填充到蓋板-支架-基材結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)平移放置到水平熱板上，水平熱板的溫度設(shè)置為55～75℃；

4）納米粒子膠體溶液在水平熱板的溫度作用下發(fā)生快速蒸發(fā)，在咖啡圈效應(yīng)下，發(fā)生納米粒子的沉降和粘滯；溶質(zhì)中的納米粒子在局部的表面張力和基材的范德華力的共同作用下發(fā)生自組裝，形成一條納米粒子的密排單層線(xiàn)；當(dāng)退卻的彎月面到達(dá)恢復(fù)平衡接觸角的狀態(tài)時(shí)，形成新的固-液-氣三相線(xiàn)；

5）重復(fù)第4）步的粘滯-退卻過(guò)程，直至溶劑全部蒸發(fā)掉，會(huì)在基材表面形成周期性分布的納米粒子密排單層線(xiàn)陣列；

6）利用以上步驟所形成的納米粒子密排單層線(xiàn)陣列為掩膜對(duì)基材材料進(jìn)行干法刻蝕，通過(guò)控制刻蝕參數(shù)，形成不同結(jié)構(gòu)的納米柱子或納米錐陣列結(jié)構(gòu)；或者利用以上步驟所形成的納米粒子密排單層線(xiàn)陣列制作微米槽，首先，通過(guò)磁控濺射在分布有納米粒子密排單層線(xiàn)的基材上鍍厚度為納米級(jí)的金屬膜；然后放置到去離子水中進(jìn)行超聲，剝離去除納米粒子單層線(xiàn)及粒子上覆蓋的金屬層，最后通過(guò)干法刻蝕或濕法腐蝕的方法進(jìn)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制備納米金屬孔結(jié)構(gòu)下的微米槽。

所述的蓋板是普通載玻片、石英玻璃、透明導(dǎo)電玻璃、鍍膜玻璃金屬片的無(wú)機(jī)材料，或者是聚甲基丙烯酸樹(shù)脂PMMA、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚對(duì)二甲苯PET、聚酰亞胺PI、聚碳酸酯PC的有機(jī)材料的硬質(zhì)薄片；

所述的基材是普通玻璃片、石英玻璃、透明導(dǎo)電玻璃、鍍膜玻璃或硅材料；

所述的用于納米粒子線(xiàn)陣列轉(zhuǎn)移的基材是硅，或者是具有聚合物薄膜的基底材料。

所述的支架材料為柔性的薄膜，包括聚酰亞胺薄膜，厚度在25-80μm之間，尺寸控制在長(zhǎng)×寬為10mm×2mm。

所述的納米粒子膠體溶液的納米粒子是二氧化硅納米粒子或聚苯乙烯納米粒子，粒徑在100-1000nm之間。

所述的納米粒子密排單層線(xiàn)陣列的周期控制在10-100μm之間，線(xiàn)寬控制在2-10μm之間。

所述的納米柱子或納米錐的高度控制在100nm-1000nm量級(jí)之間。

所述的微米槽的寬度和深度控制在2-10μm之間。