[发明专利]一种大面积高质量单层PS微球薄膜的溶液自组装方法

说明书

本发明提供一种大面积高质量单层PS微球薄膜的溶液自组装方法，属于纳米加工技术领域。本发明方法独特地采用1‑丁醇和乙醇的混合溶液来稀释高浓度的PS微球溶液，解决了传统方法中由于无水乙醇和水具有极好的互溶性，PS微球溶液滴加到反应发生容器的活性剂溶液中之后有很大一部分PS微球会随着溶液的扩散而沉入到液面以下而使制备的微球薄膜绝大部分仍是双层甚至多层结构的问题；并且在PS微球的稀释过程中加入少量的NaCl以降低微球之间静电力，从而减少到下沉到液面下的PS微球数量，进一步提高成膜质量。控制制备过程中注射器与活性剂溶液表面的接触形状，使PS微球通过该方式自组装形成大面积高质量的单层结构。

技术领域

本发明属于纳米加工技术领域，具体涉及一种大面积高质量单层PS微球薄膜的溶液自组装方法。

背景技术

具有有序纳米结构的表面因其独特的表面特性而受到广泛关注，并在抗反射、生物和化学传感、吸收剂、表面增强拉曼散射(SERS)、表面润湿性、表面辅助激光解吸/电离质谱(SALDI-MS)等技术领域具有广阔的应用前景。尽管光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、软光刻、纳米压印等先进的加工技术也可以加工出高精度的有序纳米结构阵列，但是其各自在加工面积、工艺成本及其复杂性等方面受到了严重的限制，在大规模的实用化制备方面仍然具有极大的挑战性。

近年来，随着胶体科学的发展，粒径分布窄、相稳定性好的聚苯乙烯(PS)高单分散胶体球溶液的制备工艺已经成熟，并且PS微球的直径可以在几十微米到几十纳米范围内进行精确调节，优于传统的光刻和纳米压印等方法的分辨率极限。在适当的条件下，这种胶体球可以自组装成二维(2D)和三维(3D)结构，结合后续的干法或湿法刻蚀技术，可以进一步加工出圆锥体、金字塔、柱、孔、环等二维和三维纳米结构阵列。因此，大面积高质量的单层PS微球薄膜的制备是胶体光刻技术的前提，对获得理想的结构和性能具有重要意义。其关键在于如何利用合适的物理和化学方法来精确调控PS微球的周期、排列方式以及大小和形状等形态，使得加工出的纳米结构具有灵活的可调性。

德国M.Giersig[1]和Ulrich Jonas[2]等人先后提出的溶液聚集以及旋涂自组装方法尽管可以制备出局部的单层PS微球薄膜，但是在工艺可控性、微球致密度等方面存在严重的不足，无法得到高质量的大面积单层PS薄膜。英国的Petros I.Stavroulakis[3]通过将平放的基底改为倾斜10°，并用蒸发法代替提拉法，从而在一定程度改善了薄膜质量，但是仍然具有很大部分的双层薄膜结构。日本的Kai Chen和美国的Tadaaki Nagao等人[4]提出的双层PS微球自组装技术展现出了良好的可控性，但是在大面积单层自组装方面并无较大突破。日本科学家Kei Shinotsuka等人[5]提出了超声辅助和摇摆式的辅助自组装方法，尽管改善了局部单层PS微球薄膜的质量，但是在大面积上的均匀性和致密性依然不足。同年，Yi Cui和Jichun Ye等[6]人提出了一种制造大面积高质量单层PS微球薄膜的微注射工艺，在光伏产业展现出了巨大的应用潜力，但是该工艺存在严重的不足，其注射速率为0.5ml/h，需要25个微注射系统同时工作四个小时才能铺满一块1.7m²的基底，进而生产效率低，工艺成本高。因此，亟待在现有工艺技术的基础上，开发新的工艺技术方案来突破这一限制，以简单的工艺、较低的成本、较高的效率制备柱大面积高质量的单层PS微球薄膜。

[1]Rybczynski,J.,et al.(2003).Large-scale,2D arrays of magneticnanoparticles.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects219(1-3):1-6.

[2]Retsch,M.,et al.(2009).Fabrication of Large-Area,TransferableColloidal Monolayers Utilizing Self-Assembly at the Air/WaterInterface.Macromolecular Chemistry and Physics 210(3-4):230-241.