法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2014-12-10
授权
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2014-04-02
实质审查的生效 IPC(主分类):B82B3/00 申请日:20131107
实质审查的生效
2014-03-05
公开
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技术领域
本发明涉及纳米粒子自组装技术领域,特别涉及一种平板约束下 的蒸发诱导纳米粒子线自组装方法。
背景技术
众所周知,半导体制造工艺或集成电路、微机电系统(MEMS) 等制造工艺均需要采用价格高昂的设备,且光刻、镀膜、刻蚀工艺步 骤复杂,包括多层套刻等耗时费力,这些不可避免的问题使得人们在 普通的应用领域无法解决。反而,越来越多的研究人员试图通过简单 的化学自组装等方法,在较短时间内,可开发出可用的成本低、步骤 少、效率高和大面积的微纳米表面结构,在三维微纳米拓扑结构、智 能表面、超疏水、表面增强拉曼散射和量子点荧光显微的生物化学检 测等领域占据一片天地。在林林总总的化学自组装方法中,溶液蒸 发的方法包括旋涂辅助蒸发、喷涂辅助蒸发、几何约束辅助蒸发、提 拉法辅助蒸发等比较成熟的工艺方法。首先,其中采用毛细力辅助和 LB提拉法制备纳米粒子阵列的方法十分诱人。另外,美国爱荷华大 学的林志群课题组、麻州大学的Kim等人在Degan等人的研究基础 上开发出了利用咖啡圈效应制备纳米材料的方法,包括纳米胶体、 CNT、石墨烯、量子点和嵌段共聚物材料等的微纳米线阵列及其他特 殊的表面结构,对包括新型有机太阳能电池在内的诸多研究前沿注入 了新鲜血液。然而,不论是Kim等人采用刮板式,还是林课题组及 其合作者的曲面-平面几何约束下的蒸发诱导纳米材料自组装技术, 都需要一些精密控制的装置来控制液面的运动,或者形成梯度周期的 结构,工艺复杂,成本高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种平板 约束下的蒸发诱导纳米粒子线自组装方法,方法简单,容易操作,成 本低廉,工艺可控性较强,且可以高效率地制备较大面积的纳米粒子 结构阵列。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现。
一种平板约束下的蒸发诱导纳米粒子线自组装方法,包括以下步 骤:
1)将盖板、薄膜和基材依次用丙酮、乙醇、去离子水超声冲洗 后并氮气吹干,以薄膜为支架,将盖板覆盖在基材上,形成具有微米 级间隙的盖板-支架-基材结构;
2)将质量浓度为0.2wt%-1wt%的纳米粒子胶体溶液从盖板-支架 -基材结构侧面边缘滴加,并利用毛细力作用填充到盖板-支架-基材结 构所形成的间隙中;
3)将填充有纳米粒子胶体溶液所形成的盖板-支架-基材结构平 移放置到水平热板上,水平热板的温度设置为55~75℃;
4)纳米粒子胶体溶液在水平热板的温度作用下发生快速蒸发, 在咖啡圈效应下,发生纳米粒子的沉降和粘滞;溶质中的纳米粒子在 局部的表面张力和基材的范德华力的共同作用下发生自组装,形成一 条纳米粒子的密排单层线;当退却的弯月面到达恢复平衡接触角的状 态时,形成新的固-液-气三相线;
5)重复第4)步的粘滞-退却过程,直至溶剂全部蒸发掉,会在 基材表面形成周期性分布的纳米粒子密排单层线阵列;
6)利用以上步骤所形成的纳米粒子密排单层线阵列为掩膜对基 材材料进行干法刻蚀,通过控制刻蚀参数,形成不同结构的纳米柱子 或纳米锥阵列结构;或者利用以上步骤所形成的纳米粒子密排单层线 阵列制作微米槽,首先,通过磁控溅射在分布有纳米粒子密排单层线 的基材上镀厚度为纳米级的金属膜;然后放置到去离子水中进行超 声,剥离去除纳米粒子单层线及粒子上覆盖的金属层,最后通过干法 刻蚀或湿法腐蚀的方法进行各向同性刻蚀去除材料,利用金属层与基 材之间刻蚀选择比制备纳米金属孔结构下的微米槽。
所述的盖板是普通载玻片、石英玻璃、透明导电玻璃、镀膜玻璃 金属片的无机材料,或者是聚甲基丙烯酸树脂PMMA、聚二甲基硅 氧烷PDMS、聚对二甲苯PET、聚酰亚胺PI、聚碳酸酯PC的有机材 料的硬质薄片;
所述的基材是普通玻璃片、石英玻璃、透明导电玻璃、镀膜玻璃 或硅材料;
所述的用于纳米粒子线阵列转移的基材是硅,或者是具有聚合物 薄膜的基底材料。
所述的支架材料为柔性的薄膜,包括聚酰亚胺薄膜,厚度在 25-80μm之间,尺寸控制在长×宽为10mm×2mm。
所述的纳米粒子胶体溶液的纳米粒子是二氧化硅纳米粒子或聚 苯乙烯纳米粒子,粒径在100-1000nm之间。
所述的纳米粒子密排单层线阵列的周期控制在10-100μm之间, 线宽控制在2-10μm之间。
所述的纳米柱子或纳米锥的高度控制在100nm-1000nm量级之 间。
所述的微米槽的宽度和深度控制在2-10μm之间。
本发明采用的溶液通过注射器或滴管由支架边缘滴加,并通过毛 细力作用自动填充到平板间隙中。平板约束下的蒸发诱导纳米粒子自 组装方法的主要控制要素包括纳米粒子溶液的浓度、间隙高度、温度、 平板表面润湿特性等。本发明工艺操作简单,可重复性好,不需要额 外的精密仪器对其进行位移操控,而且能够实现低成本、高效率、大 面积的纳米结构的制备。
附图说明
图1是本发明的盖板-支架-基材结构的示意图,其中图1(a)为 主视图;图1(b)为俯视图;图1(c)为左视图。
图2是将纳米粒子胶体溶液滴加到盖板-支架-基材结构所形成的 间隙中的示意图,其中图2(a)为纳米粒子胶体溶液滴加到盖板-支 架-基材结构所形成的间隙边缘的示意图;图2(b)为纳米粒子胶体 溶液在毛细力作用下填充到盖板-支架-基材结构所形成的间隙中的 示意图。
图3是将填充有纳米粒子胶体溶液的盖板-支架-基材结构平移到 恒温的水平热板上的示意图。
图4是纳米粒子密排单层线阵列的示意图,其中图4(a)为纳 米粒子密排单层线阵列的俯视图,图4(b)为纳米粒子密排单层线 阵列的左视图;图4(c)为图4(b)中I-I的放大图。
图5是所制备的纳米粒子密排单层线阵列的结构,其中图5(a) 为纳米粒子成形的结构示意图;图5(b)为纳米粒子成形结构的扫 描电子显微镜(SEM)图。
图6是所制备的纳米柱子或纳米锥阵列的结构;其中图6(a) 为纳米柱子或纳米锥结构的示意图;图6(b)为纳米柱子或纳米锥 结构的扫描电子显微镜(SEM)图。
图7是所制备的纳米孔阵列及其微流道结构,其中图7(a)为 金属纳米孔阵列的俯视图;图7(b)为金属纳米孔阵列及所制备的 微米槽结构的主视图;图7(c)为金属纳米孔阵列结构及微米槽结 构的扫描电子显微镜(SEM)图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
一种平板约束下的蒸发诱导纳米粒子线自组装方法,包括以下步 骤:
1),参照图1,将厚度为1mm的玻璃盖板1,厚度为80μm的聚 酰亚胺薄膜2和厚度为500μm的硅基材3依次用丙酮、乙醇、去离 子水超声冲洗并氮气吹干后,以聚酰亚胺薄膜2为支架,将玻璃盖板 1覆盖在硅基材3上,形成高度为80μm间隙的盖板-支架-基材结构;
2),参照图2,将质量浓度为0.5%的二氧化硅纳米粒子胶体溶液 4通过注射器从盖板-支架-基材结构侧面边缘注入由聚酰亚胺薄膜2 支撑形成的80μm的间隙中,并利用毛细力作用填充到盖板-支架-基 材结构所形成的间隙中;
3),参照图3,将填充纳米粒子胶体溶液所形成的盖板-支架-基 材结构平移放置到水平热板5上,水平热板5的温度设置为70℃;
4),参照图4,水平热板温度使得间隙中的纳米粒子胶体溶液4 发生蒸发,并通过间隙的开放区域扩散,在蒸发过程中,利用咖啡圈 效应,即随着溶剂的蒸发及作为溶质的纳米粒子从体相溶液向固-液- 气三相线补充聚集,并发生沉降和粘滞;当接触角达到临界后退角时, 溶质的粘滞力被体相溶液的表面张力所克服,固-液-气三相线即发生 迅速的退却,纳米粒子在局部的表面张力和基材的范德华力的共同作 用下发生自组装,形成一条纳米粒子的密排单层线6;当退却的弯月 面7到达恢复平衡接触角时,形成新的固-液-气三相线;
5),重复第4)步的粘滞-退却过程,直至溶剂全部蒸发掉,会在 基材表面形成周期性分布的纳米粒子密排单层线阵列,如图5所示;
6),利用以上步骤所形成的纳米粒子密排单层线阵列为掩膜对基 材材料进行干法刻蚀,通过控制刻蚀参数,刻蚀参数包括刻蚀气体组 分、流量、腔室压力、射频偏压等,随着刻蚀时间的不同形成不同结 构的纳米柱子阵列结构8,如图6所示。利用以上步骤所形成的纳米 粒子密排单层线制作微米槽10,首先,通过磁控溅射在分布有纳米 粒子密排单层线的基材上镀上10nm的铬过渡层和100nm的金膜;然 后放置到去离子水中进行超声,功率为60W,剥离去除纳米粒子单 层线及粒子上覆盖的金属层,在基材上形成金属薄膜孔阵列9,最后 通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法通过纳米孔阵列的掩蔽作用对金属 薄膜孔阵列9下方的硅基材3进行各向同性刻蚀去除材料,利用金属 薄膜孔阵列9与硅基材3之间悬殊的刻蚀选择比制备纳米金属孔结构 下的微米槽10,如图7所示。
所述的聚酰亚胺薄膜2厚度为80μm,尺寸控制在长×宽为10mm ×2mm。
所述的二氧化硅纳米粒子粒径为500nm。
所述的纳米粒子密排单层线阵列的周期控制在10-100μm之间, 线宽控制在2-10μm之间。
所述的纳米柱子或纳米锥的高度控制在300nm-500nm量级之间。
所述的微米槽10的宽度和深度控制在2-10μm之间。
机译: 肽具有在给定的盐浓度下诱导的自组装性能,因此自组装
机译: 通过光诱导原位表皮生长实现量子线蒸发
机译: 通过光诱导原位表皮生长实现量子线蒸发