[发明专利]基于水溶性聚合物制备自支撑金属纳米片的方法及其产物

说明书

本发明公布了一种基于水溶性聚合物制备自支撑二维金属纳米片的方法。首先在干净的硬质衬底上覆盖一层液态的有机水溶性聚合物并固化；接着将电镜载网紧密地贴合在固化的基底表面，得到衬底‑水溶性聚合物‑电镜载网三层夹心结构的聚合物模板；然后利用磁控溅射技术在该模板上沉积一层金属薄膜，得到衬底‑水溶性聚合物‑电镜载网‑金属纳米片四层结构的样品；最后去除夹心结构的电镜载网和水溶性聚合物基底，得到自支撑的二维金属纳米片。本发明利用模板法与物理沉积技术相结合，步骤简单、重复性好，制备的金属纳米片厚度均匀、尺寸可控，并解决了基底与金属纳米片快速分离的问题。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种基于水溶性聚合物制备自支撑金属纳米片的方法。

背景技术：

金属纳米片是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内或由它们作为基本构建单元的金属片。由于金属纳米片特殊的结构，从而表现出独特的力学、电学、光学、热学和磁学等特性，使其在表面增强拉曼、光学传感、生物成像、肿瘤光热治疗、光(电)催化、储能等领域都具有重要的应用价值。

高效可控地制备各种材质与结构的金属纳米片，是实现其可靠应用的关键。目前，人们发展出了多种制备金属纳米片的方法，这些方法可基本归类为“自下而上”和“自上而下”两类。“自下而上”是指从原子、分子或者前驱体开始，根据意愿进行设计和组装，逐步合成二维纳米材料的途径，即由小到大的过程，包括二维模板限制生长法、纳米颗粒自组装法、水热法和溶剂热法等。二维模板限制生长法必须要求有原始的二维纳米材料作为生长基底。纳米颗粒自组装法制备纳米片的过程中通常不需要外力，因此制备的二维纳米片并不都会达到特定的尺寸要求。水热法要经过高温溶液反应、超声分离、离心洗涤、干燥处理等过程，其制备工艺相对复杂。而通过溶剂热法制备的纳米片较为清洁，但该方法要在相对高温和高压的条件下进行，对环境和实验设备有一定的要求。综上所述，通过“自下而上”的途径制备的纳米片生产效率较高，但对于纳米片的尺寸和形状并不能做到精准控制。

为了得到尺寸均匀、形状规则的纳米片，可以采用“自上而下”的途径。“自上而下”是指通过微加工或固态技术将较大尺寸(毫米级、厘米级等)的材料制备成小尺寸(微米级、纳米级)材料的途径，即由大到小的过程，如机械剥离法、极紫外光刻、电子束曝光等。机械粉碎(高能球磨)法主要利用超微粉碎机(球磨机)将原始材料粉碎(研磨)成纳米材料。该方法虽然制备出的纳米材料产量高，但是需要高效的粉碎设备，并且在制备过程中容易引入其它杂质，同时制备出的晶粒尺寸不够均匀。极紫外光刻技术是在波长极短的紫外光照射下，借助光致抗蚀剂(光刻胶)将掩膜版上的图形转移到基片上的技术。电子束曝光技术是电子枪中产生的电子束通过电磁场聚焦、像差校正等调整后，在涂有电子抗蚀剂的基片上逐点刻蚀，加工出所需图形的技术。极紫外光刻技术需要掩模版进行整体区域曝光，产量高；电子束光刻技术的分辨率高，不需要掩模版，非常灵活，所制备的纳米级器件适合实验室小批量生产。但极紫外光刻技术和电子束光刻技术同时都具有所需的设备比较昂贵、工序复杂、所用时间长、操作难度高、效率低等缺点。

基于以上问题，本发明创新性地利用物理沉积法在水溶性基底上制备出尺寸均匀、形状规则的自支撑二维金属纳米片。该制备方法具有操作简单、产量高、重复性好、可控性好、绿色环保等特点。

发明内容：

针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于水溶性聚合物制备自支撑金属纳米片的方法。将水溶性聚合物作为基底，用电镜载网作为模板，并结合物理沉积技术，该制备方法操作简单、耗时短、重复性好且制备的金属纳米片在形状、尺寸、结构、材料可以得到精确调控。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于水溶性聚合物制备自支撑金属纳米片的方法，包括以下步骤：

步骤(1)制备液态水溶性聚合物胶体，覆盖到不溶于水的硬质衬底表面，所述聚合物胶体在所术硬质衬底表面固化后，在所述聚合物胶体表面覆盖金属网，得到聚合物模板A，所述聚合物模板为三层夹心结构，由下到上分别为衬底、水溶性聚合物、金属网；所述金属网包括网线和网孔；