[发明专利]一种基于压电陶瓷振动激励的胶体球垂直自组装方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于压电陶瓷振动激励的胶体球垂直自组装方法。该方法将压电陶瓷片振动激励和垂直自组装方法结合，实现了高有序性、大面积的单分散胶体球自组装。

背景技术

单分散胶体球自组装形成的有序结构被称为胶体晶体。以这类胶体晶体为模板，可制备光子晶体、各种金属的纳米点阵以及各类有序多孔结构。近年来开发的单分散胶体球的自组装方法包括：垂直沉积法、重力沉降法、旋涂法、物理限制自组装法等。然而大面积有序的三维胶体晶体结构的制备仍存在挑战。为了进一步减少自组装制备的胶体晶体内部缺陷，本发明在垂直沉积法的基础上，引入压电陶瓷振动激励，通过压电振动产生的小的能量扰动，使得胶体球更容易迁移到能量极小位置，从而形成更大面积有序的胶体晶体结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单易行的基于压电陶瓷振动激励的胶体球垂直自组装方法。

本发明所涉及材料包括：单分散胶体球溶液，平整基片，压电陶瓷片。

本发明提出的基于压电陶瓷振动激励的单分散胶体球垂直自组装方法，所述方法使用垂直沉积系统，所述系统由支架、压电陶瓷片、平整基片、激励电压源和单分散胶体球溶液组成，所述单分散胶体球溶液置于烧杯内，平整基片垂直插入烧杯内，其上端与压电陶瓷片底部连接，压电陶瓷片连接激励电压源；具体步骤如下：

(1) 将单分散胶体球的水溶液用去离子水稀释至质量浓度为0.1%至3%，并取稀释后的单分散胶体球溶液置于烧杯中；

(2) 清洁的平整基片垂直插入步骤(1)所述烧杯中，并部分浸没于稀释的单分散胶体溶液中；

(3) 平整基片的上端与压电陶瓷片底表面刚性连接；

(4) 将垂直沉积系统移至一恒温恒湿箱内，调节恒温恒湿箱内的温度为室温到75^oC，相对湿度为30%到70%；

(5) 在压电陶瓷片上下电极间施加固定频率、固定振幅的驱动电压，使得压电陶瓷片在厚度方向上振荡，从而带动与之刚性连接的压电陶瓷片在与单分散胶体球液面垂直的方向上振动；控制驱动电压频率在1kHz以下，电压幅值要确保陶瓷片振动振幅为100-800nm；

(6) 根据恒温恒湿箱内的温度和湿度，溶液完全挥发所需时间为5小时到36小时；待溶液挥发后，胶体球在压电陶瓷基片表面自组装成有序结构；

(7) 待溶液挥发完之后，由箱内取出烧杯，取出压电陶瓷基片，在压电陶瓷基片表面即可获得大面积有序密排的胶体晶体结构。

本发明中，所述单分散胶体球为单分散聚苯乙烯胶体球。

在实际操作过程中，应根据胶体球粒径、胶体球溶液浓度、成膜温度等参数，合理优化压电陶瓷片振动振幅和频率。对于质量浓度0.6%的206nm粒径的聚苯乙烯胶体球，在控制温度60^oC,相对湿度60%情况下，优化的压电陶瓷激励频率为300Hz，振动振幅为310nm。

本发明的制备方法成本低廉，操作简单，可很容易地制备粒径介于90nm~800nm范围内的胶体晶体结构。相对于单纯的垂直沉积方法，本发明所制备胶体晶体结构缺陷更少，有序面积更大。

附图说明

图1为基于压电陶瓷振动激励的单分散胶体球垂直沉积法的装置示意图，图中标号：1为支架；2为压电陶瓷片；3为平整基片；4为激励电压源；5为单分散胶体球溶液。

图2为某市面上购置的锆钛酸铅压电陶瓷片振动振幅与激励电压幅值和频率的关系。其中数据点1为激励电压频率为10Hz时测得数据；数据点2为激励电压频率为300Hz时测得数据。

图3为不同激励振幅条件下获得的胶体晶体膜的光学显微镜(图a1, a2, a3)和原子力显微镜(图b1, b2, b3)图像。图b1、b2和b3中插图分别为相应的傅里叶变换谱。其中光学图像成像面积1mm²，原子力显微镜图像成像面积10×10μm²。胶体球粒径206nm，激励电压频率300Hz。图a1和b1为不施加激励电压情况下的胶体晶体图像；图a2和b2对应的激励电压频率300Hz，振动振幅310nm；图a3和b3对应的激励电压频率300Hz、振动振幅1.68μm。

图4为不同温度下获得的胶体晶体膜的光学显微镜图像，成像面积为0.20mm²。图a、b、c所对应的成膜温度分别为室温(~25^oC)、50℃和75^oC。胶体球粒径206nm，压电激励频率300Hz，振幅310nm。

具体实施方式