[发明专利]制备有序纳米结构化层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备有序纳米结构化层的方法以及包括有序纳米结构化层的结构。

背景技术

材料的性能(例如化学、物理、电、光学及磁性能)部分地依赖于它们的原子结构、微结构以及晶界或界面。与常规的材料相比，在纳米尺度范围上结构化的材料由于其独特的性能而一直受到关注。因此，已经有越来越多的研究工作旨在为各种技术应用开发纳米结构化材料，这些应用诸如(例如)有电子及光学装置、生物材料的标记、磁记录介质、和量子计算。

已经开发了用于合成/制造纳米结构化材料的许多方法。这些方法包括(例如)利用碾磨或冲击变形使诸如金属氧化物或碳酸盐的固体前体机械变形，以制备出纳米结构化粉末(例如参见Pardavi-Horvath etal.，IEEE Trans.Magn.，28，3186(1992))，以及利用溶胶-凝胶法制备纳米结构化的金属氧化物或陶瓷氧化物粉末和膜(例如参见美国专利No.5,876,682(Kurihara等人)和Brinker等人，J.Non-Cryst.Solids，147-148；424-436(1992))。然而事实上证明，采用这些方法难以在相对较大的面积上控制纳米结构的尺寸和形状以及它们的取向和分布。

为了解决这些困难，已经开发的一种合成/制造纳米结构化材料的方法涉及到使用发色材料。例如，可以将发色材料与水溶性聚合物的混合物施加到表面上并使之干燥。然后可以除去水溶性聚合物，使得只有发色基质保留在基板上。然后可以用发色基质为模版来制备表面，例如包含纳米至微米范围的聚合物柱的表面。

发明内容

简言之，本发明提供制备有序纳米结构化层的方法。该方法包括：(a)将包含发色材料的水基组合物施加到基板表面上；(b)在向基板的表面施加水基组合物期间或之后对水基组合物施加剪切取向，以形成有序的纳米结构化发色层；(c)使所得的有序纳米结构化发色层与多价阳离子盐非共价交联；以及(d)在水的存在下使所得的交联的有序纳米结构化发色层暴露于选自碳酸、磷酸、乳酸、柠檬酸、硼酸、硫酸及其混合物的酸，以在有序纳米结构化发色层上形成包含络合物的有序纳米结构化阻挡层，所述络合物包含发色材料、多价阳离子和酸阴离子；其中酸的存在量基本上不会使交联的有序纳米结构化发色层溶解。已经意外发现的是，有序纳米结构化发色层的图案被转移到阻挡层上，并且还被转移到任选的附加发色层上。还已经发现，所述阻挡层比不是在有序纳米结构化发色层上形成的阻挡层更稳定(也就是说，阻挡物更耐物理和/或化学腐蚀)。

本文中的“发色材料”(“发色化合物”或“发色分子”)指的是这样的大多环分子，通常其特征在于存在着被各种亲水基团围绕的疏水核(例如参见Attwood，T.K.和Lydon，J.E.，Molec.Crystals Liq.Crystals，108，349(1984))。疏水核可以包含芳环和/或非芳环。当在溶液中时，这些发色材料往往聚集成以长程有序为特征的向列定序。

另一方面，本发明提供一种多层结构，所述多层结构包括：(a)间距在约100nm至约20μm之间的有序的纳米结构化交联发色层，和(b)设置在有序的纳米结构化交联发色层表面的至少一部分上、包含络合物的有序纳米结构化阻挡层，所述络合物包含发色材料、多价阳离子和选自HCO₃^-、PO₄^3-、CH₃CHOHCOO^-、C₃H₅O(COO)₃^3-、BO₃^3-、SO₄^2-、及其混合物的酸阴离子。

在本发明的多层结构中，每个层包含“有序的”或彼此高度及规则排列的发色分子。例如，发色分子可以“堆叠”在彼此的顶部上，这样使得在每个叠层上的发色分子彼此相对均匀地间隔开来，并且使得叠层本身彼此相对均匀地间隔开来。具有发色分子的高度排列叠层的层内区域被称为“域”。发色分子在层内排列的规则性也导致在层内诸如域之间的层错或断裂的较大结构特征的排列。这些层错或断裂之间的间隔被称为“间距”。在层错或断裂之间可以有一个以上的域。

本发明的多层结构的层是“纳米结构化”的(也就是说，发色分子叠层的尺度(例如，发色分子之间的间隔、叠层之间的间隔、叠层的高度等)通常在纳米级别上(优选介于约1nm至约100nm之间)。域尺寸和间距通常在约100nm至约20μm之间。

附图说明