[发明专利]一种二维正方胶体晶体的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种纳米/微米微结构材料的制备技术，特别是二维正方胶体晶体的制备方法。

二、背景技术

利用单分散的亚微米至微米尺度的胶体微球(聚合物或者是二氧化硅微球)自组织而成的二维胶体晶体有着非常广泛的应用。例如，以这种周期性有序结构作为掩模，可以得到具有各种形貌的金属纳米颗粒阵列；将其作为衬底沉积金属可制备等离激元晶体；也可将其应用于光学器件中制成激光谐振腔等。二维胶体晶体的自组织方法主要包括毛细力自组装法，旋涂法，电泳沉积法等等。但是这些传统的自组织方法通常只能制备出六角密堆面平行于衬底的胶体晶体，并且制备出的胶体晶体有很多的畴向，这将对其在纳米颗粒的制备、光学等领域的应用上产生不利的影响。欲制备出对称性可控、畴向可控的胶体晶体，最常用的方法是胶体外延法(colloidal epitaxy)，即使用有图案的衬底来诱导胶体晶体的生长。van Blaaderen等首先提出这个方法，他们将含胶体颗粒的悬浊液置于一个底部刻有槽纹的容器中，这种槽纹是由一些微坑按面心立方结构的(100)面排列而成。当胶体悬浊液中的微球在重力的作用下从底部开始结晶时，胶体晶体将按这种预置的晶面取向外延生长(参见A.van Blaaderen，R.Ruel，P.Wiltzlus.Nature，1997年，385卷，321页)。但是，现有的二维正方胶体晶体的制备技术仍然存在很多问题。例如，通常使用的垂直沉积法几乎无法制备连续的单层胶体晶体(参见J.P.Hoogenboom，C.Rétif，E.de Bres，M.van de Boer，A.K.van Langen-Suurling，J.Romi jn，and A.van Blaaderen，Nano letters，2004年，4卷，205页)；熵驱动法中微球与微球只具有短程相互作用，因此制备出的胶体晶体只存在短程有序(参见K.H.Lin，J.C.Crocker，Vikram Prasad，A.Schofield，D.A.Weitz，T.C.Lubensky，and A.G.Yodh，Physi cal Review Letters，2000年，85卷，1770页)；已有的毛细力驱动胶体外延法从未考虑到干燥界面处胶体微球所受毛细力的各向异性与胶体晶体密堆积方向的匹配问题，使得制备出的胶体晶体包含非常多的缺陷，并且不具备长程有序(参见Y.-H.Ye，S.Badi lescu，V.-V.Truong，P. Rochon，A. Natansohn，Applied Physics Letters，2001年，79卷，872页)。

三、发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备高有序度、低缺陷率的二维正方胶体晶体的实验方法。

本发明所述的二维正方胶体晶体制备方法，包括以下步骤：

(1)在两块衬底之间夹上两根条状间隔物做成一个微通道，其中一块衬底表面具有一维周期性起伏的沟槽：

(2)将单分散的胶体微球的悬浊液注入微通道内，形成平行于间隔物的干燥界面；

(3)将微通道平放在一个湿度恒定的空间中，在室温下随着液体的蒸发，胶体微球则在干燥界面处发生白组织；

(4)液体完全干燥后，拆开微通道，即在图案衬底上得到二维正方胶体晶体。

上述步骤(1)中条形间隔物的高度为200微米至2毫米的(例如漆包线)，沟槽的深度应小于步骤(2)中将提到的胶体微球的半径，这样相邻沟槽内的微球才能够相互接触。为得到高质量低缺陷率的胶体晶体，这里条形间隔物与微槽之间的夹角为45°(容许误差范围为±3°)。

上述步骤(2)中胶体微球的直径约为微槽周期的倍(误差小于5％)，因为在这个配置下，胶体微球组成的正方晶格与衬底图案相匹配。

上述步骤(3)中湿度范围为70-80％，在室温下让液体蒸发。在干燥界面处，微球发生自组织，并随着干燥界面的推进，胶体晶体逐渐长大。

本发明与现有制备胶体晶体技术相比具有以下突出优点：

1、相比传统的垂直沉积法，我们这种利用微通道的方法能够更好的控制液体的蒸发；从而生长出连续的单层胶体晶体。

2、引入图案衬底来诱导胶体晶体按照预置晶面取向生长，使得制备出的胶体晶体的畴向保持一致。

3、利用具有一维周期性结构的衬底来获得二维周期性结构，减小了胶体外延法对微加工技术的依赖。

4、本方法成功地结合了干燥界面处微球间毛细吸引力的各向异性以及一维沟槽衬底对微球作用的各向异性，从而避免了二维胶体晶体生长中时常出现的长程无序，结构缺陷等问题。