[发明专利]一种平板约束下的蒸发诱导纳米粒子线自组装方法

说明书

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。