[发明专利]一种大面积无缺陷二维胶体单晶、其制备方法及其转移方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种大面积无缺陷二维胶体单晶，还涉及包括这种胶体单晶的制备及其无扰转移方法。

发明背景

二维胶体晶因其独特的周期规整性，被作为模板广泛地应用于各种有序结构的构建。对于基于二维胶体晶为模板的有序结构构建，首先要解决的问题便是如何制备大面积无缺陷的二维胶体晶。截至目前，人们已经发展了各种各样的办法来制备二维胶体晶，其中最常用的是基于对流沉降的自组装技术。已有文献报道，借助这种技术，在特殊的楔形装置辅助下可以制备出厘米级的无缺陷的二维胶体单晶。但是这种方法相当耗费时间（通常在半小时以上）且对基底表面亲疏水性有要求，此外胶体单晶一旦在平整的基底上形成无法向其他基底转移。

相比于对流沉降自组装技术，基于毛细作用力在水/气界面自组装形成的二维胶体晶因其方便的可转移性，逐渐受到人们的青睐。当胶体粒子悬浮液被滴加到水表面时，悬浮液会迅速在水面铺展，同时带动胶体粒子在水面做相应的运动。在毛细力作用下，胶体粒子相互吸引并最终铺满整个水/气界面。通过这种方法在制备胶体晶过程中，胶体粒子的自组装行为不受控制，胶体粒子间的错位会在胶体晶内引入大量的内应力，最终倾向于形成多晶结构。通常情况下，单个域的面积介于数百到数千平方微米。我们在实验过程中发现，在水/气界面制备二维胶体晶过程中引入外场（气流）带动胶体粒子在水/气界面运动能够有效地消除因胶体粒子错位而产生的内应力。通过在水相中引入乳化剂来调节胶体粒子间的毛细作用力大小，并辅以气流来促进应力的释放，最终在水/气界面可以制备出大面积（10cm²左右）没有缺陷的二维胶体单晶。

原则上，在水/气界面制备的二维胶体晶可以通过提拉法实现向不同基底表面的转移，但是这种转移方法会在基底与二维胶体晶之间引入一层水膜，而在二维胶体晶制备过程中沉没于水相中的胶体粒子也会被引入其中。待水挥发后，这些被引入的胶体粒子便会取代二维胶体晶中原有胶体粒子的位置，而这些位置被取代的胶体粒子则随机分布于二维胶体晶表面。严格意义上讲，此时在基底表面的已经不是真正意义上的二维胶体晶。为了解决这个问题，我们还对胶体晶的转移方式进行了改进。在我们改进的胶体晶无扰转移方式中，基底以近乎垂直的方式紧贴器壁。待大面积二维胶体单晶制备好后，通过沿器壁滴加水溶液使得胶体单晶与器壁其他三面的连接被阻断，当水相被从容器中虹吸出去后胶体单晶便在毛细作用力下自发地向器壁沉积，从而实现向基底表面的转移。因为在转移过程中，基底近乎垂直于水面，所以能有效地避免水膜的形成，进而避免二维胶体单晶表面自由分布的胶体粒子的形成。此外，改进的胶体晶转移方式是一自发过程，能有效地避免采用提拉法时人为因素对胶体单晶的扰动，使得这一转移方法具有可靠的重复性。

上述气流辅助作用下在水/气界面自组装制备的二维胶体单晶尺寸可达10cm²左右且无任何缺陷，制备方法操作简便，且对不同粒的胶体粒子均适用；改进的无扰转移方式可以实现在不对胶体单晶产生明显扰动的情况下向不同基底表面的转移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大面积无缺陷二维胶体单晶的制备其无扰转移方法。本发明的二维胶体单晶尺寸可达10cm²，制备方法简单高效；改进的无扰转移方式可以实现在不对胶体单晶产生明显扰动的情况下向不同基底表面的转移。为了实现本发明，本发明提供下述技术方案：

一种大面积无缺陷的二维胶体单晶，其特征在于，整个胶体晶面积可达数平方厘米。优选地，二维胶体单晶尺寸达到10cm²。

根据本发明，其特征在于，制备所述二维胶体单晶的原料包括胶体粒子，醇类分散介质，离子型乳化剂和纯水。

根据本发明的二维胶体单晶，其特征在于，胶体粒子在水/气界面呈六方密堆紧密排列，非常方便向所需基底表面转移。

根据本发明的二维胶体单晶，其特征在于，所述胶体粒子为微米或亚微米尺寸的聚合物或无机物球形胶体粒子。优选地，以聚合物球形粒子为模型粒子。以所述醇类分散介质的用量为基准，胶体粒子的浓度为5-50mg/mL。

根据本发明的二维胶体单晶，其特征在于，二维胶体单晶是于水/气界面在压缩气流的辅助作用下形成的。

根据本发明，所述醇类分散介质优选甲醇，乙醇或丙醇与丁醇构成的二元分散体系；以所述甲醇，乙醇或丙醇的用量为基准，丁醇的用量为前者的3-9倍。

根据本发明，以纯水的用量为基准，离子型乳化剂的用量为17.8-72.6mg/L。