[发明专利]一种厘米级、粒间距可调的聚合物接枝金纳米粒子复合单层膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种厘米级、粒间距可调节的聚合物接枝金纳米粒子复合单层膜及其制备方法。该复合单层膜由聚合物接枝金纳米粒子以六方堆积的方式有序排列而成。使用油溶性聚合物对金纳米粒子的表面进行接枝修饰并分散于有机溶剂中，通过油/水界面挥发法使油溶性聚合物接枝金纳米粒子在水面自发铺展成膜，最后将其转移至载体基板表面，从而得到所需的复合单层膜。本发明的制备方法操作简单、可重复性强、适用于不同尺寸的纳米粒子以及不同的油溶性聚合物，便于大规模制备，得到的聚合物接枝金纳米粒子复合单层膜的纳米粒子排列有序、粒间距可控，其最大面积可达到10cm²,有望在光电器件、微电子器件、微纳结构传感器中得到应用。

技术领域

本发明属于聚合物/功能性无机纳米复合材料领域，更具体地，涉及一种厘米级、粒间距可调节的聚合物接枝金纳米粒子复合单层膜及其制备方法。

背景技术

无机纳米复合材料是由无机纳米粒子和其它物质复合而成的一种材料。由于无机纳米粒子所具有的独特性质，无机纳米复合材料被广泛应用于多个领域，如光电转换、微电子技术、生物传感、防伪等。

无机纳米粒子单层膜是由无机纳米粒子形成的二维有序结构材料，是制备光电材料、微电子器件、微纳结构传感器的理想材料，在这些领域中有着重要的应用价值。传统的方法可以制备出厘米级以上、紧密堆积结构的无机纳米粒子单层膜，但难以对纳米粒子粒间距进行有效的调控。而由于近场耦合作用，无机纳米粒子的物化性质受到纳米粒子粒间距的显著影响，因此调控金纳米粒子的粒间距对纳米复合材料的性能有着重要影响。更为重要的是，部分光电器件、微纳结构传感器、微电子器件(如电存储场效应晶体管)需要纳米粒子间有一定的间距，而传统的紧密堆积结构的无机纳米粒子单层膜无法满足该要求。

粒间距可控的金纳米粒子单层膜虽然也有文献报道，但可用于制备光电材料、微电子器件、微纳结构传感器的纳米粒子单层膜需具有厘米级以上的尺寸，而现有技术所能制备单层膜的最大面积仅为微米级，无法满足实际应用中的要求。并且传统方法所制备的金纳米粒子单层膜机械性能较差，在其向基板转移过程中易发生破损、断裂。这些不足与缺陷极大地限制了该材料在实际应用中的价值。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种厘米级、粒间距可调节的聚合物接枝金纳米粒子复合单层膜及其制备方法。采用机械性能优异的油溶性聚合物作为金纳米粒子表面配体，诱导纳米粒子在油/水界面自组装形成大面积有序结构，并通过调节聚合物分子量来控制金纳米粒子的粒间距，由此解决现有金纳米粒子单层膜机械性能较差和难以制备出厘米级、粒间距可调控的聚合物接枝金纳米粒子复合单层膜的技术难题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种聚合物接枝金纳米粒子单层复合膜，所述单层复合膜中包括聚合物和金纳米粒子，所述金纳米粒子表面接枝有所述聚合物，所述单层复合膜中聚合物接枝金纳米粒子以六方平面堆积方式有序排列，所述金纳米粒子的直径为3.5～100nm，所述金纳米粒子的粒间距为1～40nm。

优选地，所述单层复合膜的最大面积为10cm²。

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的聚合物接枝金纳米粒子单层复合膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)油溶性聚合物接枝金纳米粒子的有机溶液的制备：使用功能性基团封端的油溶性聚合物通过配体交换法对金纳米粒子的表面进行接枝修饰，再将其分散于有机溶剂中，得到油溶性聚合物接枝纳米粒子的有机溶液；其中每毫升所述有机溶液中含油溶性聚合物接枝金纳米粒子20～200mg；

(2)聚合物接枝金纳米粒子复合单层膜的制备：在疏水性容器中加入去离子水，将步骤(1)得到的油溶性聚合物接枝金纳米粒子的有机溶液滴加于去离子水表面使其自发铺展，待有机溶剂挥发完全后，形成单层膜；将该单层膜转移至载体基板表面，即得到聚合物接枝金纳米粒子复合单层膜。