[发明专利]一种层数可控胶体晶体的自组装生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种胶体晶体的自组装生长方法。

背景技术

胶体晶体(colloidal crystal)是指悬浮于溶液中的单分散胶体粒子自组装排列成的三维有序周期结构。胶体晶体中占据每个晶格点的是一个小的胶体粒子，而不是普通晶体的分子或原子。由于胶体粒子周期性排列的有序结构，使其产生了诸如光衍射、光子带隙等极具应用价值的特性，可作为光子晶体在滤光器、光开关、高密度磁性数据存储器件、化学和生物传感等方面具有重要的应用前景。此外胶体光子晶体可以作为模板制备具有完全光子带隙的三维有序多孔结构，这种有规则排列的多孔材料在催化、吸附和分离等方面也具有重要的应用价值。

目前可以用多种方法自组装胶体晶体，如重力沉降法、气液界面组装法，垂直沉积法，电泳沉积法等。中国发明专利ZL01130031.0公开了一种三维有序胶体晶体的方法，该方法是将单分散胶体粒子乳液加入电解质调节离子强度，并通过蒸发溶剂获得胶体晶体。中国发明专利ZL03131989.0公开了一种二维、三维胶体晶体的自组装方法。该方法设置微小通道，并通过通道内的毛细吸引使胶体粒子自组装成二维、三维胶体晶体结构。但是上面的方法无法精确控制胶体晶体的厚度和层数。中国发明专利ZL200510041578.2公开了一种控制胶体微球自组装的方法，该方法通过在选定的模板材料上滴加适量溶剂，形成溶剂膜，并与另一模板对合在一起在模板之间形成均匀液膜，将两层模板浸入到胶体粒子悬浮液中自组装形成胶体晶体。通过溶剂膜的厚度和胶体粒子悬浮液的浓度可以控制胶体晶体的层数。该方法的制备过程比较复杂，溶剂膜的厚度难以精确控制，且形成的有序结构由于是在模板之间，易随着模板的分离而造成破坏。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有胶体晶体的制备方法较复杂、不易控制，很难得到层数可控的胶体晶体的问题，本发明提供了一种层数可控胶体晶体的自组装生长方法。

本发明的层数可控胶体晶体的自组装生长方法，是通过以下步骤实现的：一、将基片依次在丙酮、甲醇和超纯水中超声清洗20～30min，然后再用臭氧处理30～60min，再干燥；二、将胶体粒子和分散溶剂装入平底试管中，配制质量分数为0.005％～2％的胶体粒子悬浮液，其中分散溶剂为超纯水和无水乙醇中的一种或者两种的混合物；三、将步骤一处理后的基片以与平底试管底部呈60°～80°的角度插入胶体粒子悬浮液中，并将基片完全浸入胶体粒子悬浮液中，然后将平底试管置于温度为50～65℃的恒温培养箱中2～3天，保持恒温箱内相对湿度为50％～70％，待溶剂完全挥发后，即在基片表面得到层数可控的胶体晶体，完成层数可控胶体晶体的自组装生长方法。

本发明步骤一中所述基片为普通玻璃基片、ITO导电玻璃片、石英玻璃片或者硅片。步骤二中所述胶体粒子为单分散的二氧化硅(SiO₂)、聚苯乙烯(PS)或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球，或者上述之一种胶体粒子外面包覆金、银、铜、铂或TiO₂形成的纳米颗粒；胶体粒子的粒径为100～1000nm，胶体粒子的粒径标准偏差小于5％。

本发明提供了一种简单的自组装生长层数可控的胶体晶体的方法，得到包括二维和三维的胶体晶体。本发明的方法工艺简单，效率高、易于控制、且重复性好，克服了现有方法自组装生长胶体晶体层数不易控制，及得到的胶体晶体有序度不高的问题，可以生长大面积高度有序、层数可控的胶体晶体。

本发明的自组装生长方法通过控制胶体晶体的生长温度和湿度、胶体粒子悬浮液的质量浓度，使得液体内部形成持续稳定的对流回路，有利于保持胶体粒子在溶剂中的分散性，有效地克服了自组装过程中胶体晶体的层数不容易控制的问题，使胶体粒子的自组装在很大范围内能够可控。

本发明自组装得到的层数可控胶体晶体为深入研究光子晶体的结构和光学性质提供了材料，同时为三维有序大孔材料提供了更为理性和精确的模板。结合物理和化学沉积、选择性刻蚀等技术，利用层数可控的胶体晶体构筑二维或三维的有序结构，可促进图案化技术研究的进一步发展。

附图说明