CN102199790A - 二元有序胶体晶体模板及其制备方法和用途 - Google Patents

二元有序胶体晶体模板及其制备方法和用途 Download PDF

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王洪强
刘广强
蔡伟平
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Abstract

本发明公开了一种二元有序胶体晶体模板及其制备方法和用途。模板由衬底和其上的胶体晶体组成，特别是胶体晶体由两种不同直径的聚苯乙烯胶体球构成，两种胶体球直径间的大小比例为5～20∶1，其中，大直径胶体球的球直径为250～5000nm、小直径胶体球的球直径为50～250nm，大直径胶体球按六方有序结构单层排列，小直径胶体球位于大直径胶体球之间，胶体晶体的厚度为250～5000nm；方法步骤为先将质量百分比溶度均为1.5～10％的大直径聚苯乙烯胶体球溶液和小直径聚苯乙烯胶体球溶液按照体积比为10～30∶1的比例混合均匀，得到混合液，再将混合液滴加至衬底上后旋涂甩开，自然干燥后制得二元有序胶体晶体模板。它可广泛地用于制备单层或多层二元有序多孔薄膜。

Description

二元有序胶体晶体模板及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种晶体模板及制备方法和用途，尤其是一种二元有序胶体晶体模板及其制备方法和用途。
背景技术
胶体晶体是指由胶体球按照一定方式组装排列的二维或三维有序结构。由于其在光子晶体、光电器件、生物芯片传感等方面潜在的应用优势，近年来受到了人们的广泛关注。迄今为止，关于胶体晶体自组装的研究工作已有了大量的文献报导，可是，其所使用的胶体球均为单一尺寸，因而所形成的胶体晶体也就仅限于几种简单的类型，如：面心立方、六角密排、体心立方。这也就使得胶体晶体的物理、化学性质和在实际中的应用受到了很大的限制。人们为了探索和拓展胶体晶体的应用范围，作了一些尝试和努力，如在2008年11月出版的《物理学报》第57卷第11期杂志中“二元体系胶体晶体性质的实验研究”一文曾公开了一种二元胶体晶体及其制备方法。该文研究了不同大小的聚苯乙烯粒子的数密度比对胶体晶体的形成时间，平均最近邻粒子之间的距离和晶体结构的影响。其中，二元胶体晶体的粒子直径分别为94nm和141nm，两种粒子的数密度比为0～5∶0～1；制备方法为乳皂聚合法，反应中使用对苯乙烯磺酸钠作为一种共聚单体加入到乳液聚合反应体系中，和其他单体发生共聚合反应，结合到聚合物链上，起到内乳化作用。但是，这种二元胶体晶体及其制备方法均存在着不足之处，首先，构成二元胶体晶体的两种粒子间的直径差和混合的比例均过小，尤其是过小的直径差与单一尺寸晶体的差别不大，这不仅不利于实际中的应用，还出现了如文章中所述的在两种粒子的数密度比由1∶0向0∶1变化时，胶体晶体的平均粒子间距变大，当两种粒子的数密度比为5∶1时，胶体晶体出现了超晶格结构，极大地制约了其应用的范围；其次，制备方法不能制得适用范围较广的二元胶体晶体。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种两种胶体球间的直径差和混合比例较符合实际应用，以及间距稳定的二元有序胶体晶体模板。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种二元有序胶体晶体模板的制备方法。
本发明要解决的还有一个技术问题为提供一种二元有序胶体晶体模板的用途。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：二元有序胶体晶体模板由衬底和其上覆有的胶体晶体组成，特别是，
所述胶体晶体由两种不同直径的聚苯乙烯胶体球构成，所述两种胶体球直径间的大小比例为5～20∶1，其中，大直径胶体球的球直径为250～5000nm、小直径胶体球的球直径为50～250nm；
所述大直径胶体球按六方有序结构单层排列，所述小直径胶体球位于大直径胶体球之间；
所述胶体晶体的厚度为250～5000nm。
作为二元有序胶体晶体模板的进一步改进，所述的大直径胶体球按六方紧密排列。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：二元有序胶体晶体模板的制备方法采用微乳液聚合法，特别是完成步骤如下：
先将质量百分比溶度均为1.5～10％的大直径聚苯乙烯胶体球溶液和小直径聚苯乙烯胶体球溶液按照体积比为10～30∶1的比例混合均匀，得到混合液，再将混合液滴加至衬底上后旋涂甩开，自然干燥后制得二元有序胶体晶体模板。
作为二元有序胶体晶体模板的制备方法的进一步改进，所述的将混合液滴加至衬底上的体积为4～10μL；所述的旋涂甩开时的转速为300～1000r/s；所述的自然干燥时的温度为24～28℃；所述的衬底为玻璃，或单晶硅片，或陶瓷，或云母，或石英。
为解决本发明的还有一个技术问题，所采用的还有一个技术方案为：二元有序胶体晶体模板的用途为使用二元有序胶体晶体模板，结合溶液法或溶胶-凝胶法，用于制备单层或多层二元有序多孔薄膜。
相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的产物使用扫描电镜进行表征，由其结果可知，产物为置于衬底上的由两种不同直径的聚苯乙烯胶体球构成的厚度为250～5000nm的胶体晶体。两种胶体球直径间的大小比例为5～20∶1，其中，大直径胶体球的球直径为250～5000nm、小直径胶体球的球直径为50～250nm。不论大小直径胶体球间的直径差和混合比例如何变化，胶体晶体中的大直径胶体球均按六方有序结构单层排列，小直径胶体球均位于大直径胶体球之间；其二，这种采用两种不同直径的胶体球按照一定方式交替规整排列所形成的二元有序胶体晶体，既是研究晶体的成核与生长、熔化及玻璃化转变的理想模型，又有着比由单一尺寸组装成的一元胶体晶体更好、更广泛的实际应用，例如：利用二元胶体晶体可实现全带隙的光子晶体，还可结合溶液法或溶胶-凝胶法，在不同的衬底上，选取不同参数的二元胶体晶体模板，来合成各种孔直径和不同薄膜厚度的大面积的(cm2厘米级的)单层或多层二元有序多孔薄膜；其三，制备方法不仅科学、有效，还具有普适性，只要选取不同直径的两种胶体球进行混合，就可以获得不同的二元有序胶体晶体，进一步通过调节两种胶体球的体积比，还可对二元胶体晶体的微结构进行控制；其四，二元胶体晶体模板可以溶液或水为介质直接转移，缩小了工业应用的难度，扩大了其适用的范围；其五，制备工艺简单、成本低，无污染，适于工业化生产。
作为有益效果的进一步体现，一是大直径胶体球优选按六方紧密排列，满足了应用时对大直径胶体球间需紧密排列的特殊需求；二是将混合液滴加至衬底上的体积优选为4～10μL，利于模板的形成；三是旋涂甩开时的转速优选为300～1000r/s，便于将混合液均匀地甩开；四是自然干燥时的温度优选为24～28℃，确保了产物的品质；五是衬底优选为玻璃或单晶硅片或陶瓷或云母或石英，除使衬底有较大选择的余地之外，也使制备工艺更易实施且灵活。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是对分别选用直径为1000nm和200nm的聚苯乙烯胶体球制得的产物使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。由SEM照片可看到产物包括了两种大小不同的球，其中小球围绕着大球。
图2是对分别选用不同直径的聚苯乙烯胶体球制得的产物使用扫描电镜进行表征的结果；其中，图2A是分别以直径为1000nm和100nm的聚苯乙烯胶体球制得的产物的SEM照片，图2B是分别以直径为1000nm和50nm的聚苯乙烯胶体球制得的产物的SEM照片。由图2A和图2B可看到，小直径胶体球围绕在大直径胶体球的球隙之间。
具体实施方式
首先从市场购得或用常规方法制得：
质量百分比溶度均为1.5～10％的大直径聚苯乙烯胶体球溶液和小直径聚苯乙烯胶体球溶液；其中，大直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为250～5000nm、小直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为50～250nm。
作为衬底的玻璃、单晶硅片、陶瓷、云母和石英。
接着，
实施例1
制备的具体步骤为：
先将质量百分比溶度均为1.5％的大直径聚苯乙烯胶体球溶液和小直径聚苯乙烯胶体球溶液按照体积比为10∶1的比例混合均匀，得到混合液；其中，大直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为1000nm、小直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为250nm。再将混合液滴加至衬底上后旋涂甩开；其中，衬底为玻璃，混合液滴加至衬底上的体积为4μL，旋涂甩开时的转速为300r/s。经温度为24℃的自然干燥后，制得近似于图1、图2A和图2B所示的二元有序胶体晶体模板。
实施例2
制备的具体步骤为：
先将质量百分比溶度均为3％的大直径聚苯乙烯胶体球溶液和小直径聚苯乙烯胶体球溶液按照体积比为15∶1的比例混合均匀，得到混合液；其中，大直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为1000nm、小直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为200nm。再将混合液滴加至衬底上后旋涂甩开；其中，衬底为玻璃，混合液滴加至衬底上的体积为5.5μL，旋涂甩开时的转速为500r/s。经温度为25℃的自然干燥后，制得如图1所示，近似于图2A和图2B所示的二元有序胶体晶体模板。
实施例3
制备的具体步骤为：
先将质量百分比溶度均为5％的大直径聚苯乙烯胶体球溶液和小直径聚苯乙烯胶体球溶液按照体积比为20∶1的比例混合均匀，得到混合液；其中，大直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为1000nm、小直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为150nm。再将混合液滴加至衬底上后旋涂甩开；其中，衬底为玻璃，混合液滴加至衬底上的体积为7μL，旋涂甩开时的转速为700r/s。经温度为26℃的自然干燥后，制得近似于图1、图2A和图2B所示的二元有序胶体晶体模板。
实施例4
制备的具体步骤为：
先将质量百分比溶度均为8％的大直径聚苯乙烯胶体球溶液和小直径聚苯乙烯胶体球溶液按照体积比为25∶1的比例混合均匀，得到混合液；其中，大直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为1000nm、小直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为100nm。再将混合液滴加至衬底上后旋涂甩开；其中，衬底为玻璃，混合液滴加至衬底上的体积为8.5μL，旋涂甩开时的转速为850r/s。经温度为27℃的自然干燥后，制得如图2A所示，近似于图1和图2B所示的二元有序胶体晶体模板。
实施例5
制备的具体步骤为：
先将质量百分比溶度均为10％的大直径聚苯乙烯胶体球溶液和小直径聚苯乙烯胶体球溶液按照体积比为30∶1的比例混合均匀，得到混合液；其中，大直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为1000nm、小直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为50nm。再将混合液滴加至衬底上后旋涂甩开；其中，衬底为玻璃，混合液滴加至衬底上的体积为10μL，旋涂甩开时的转速为1000r/s。经温度为28℃的自然干燥后，制得如图2B所示，近似于图1和图2A所示的二元有序胶体晶体模板。
再分别选用大直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为250～5000nm中之任一直径、小直径聚苯乙烯胶体球溶液的胶体球直径为50～250nm中之任一直径，以及选用作为衬底的玻璃或单晶硅片或陶瓷或云母或石英，重复上述实施例1～5，同样制得了如或近似于图1或图2A或图2B所示的二元有序胶体晶体模板。
若需制备单层或多层二元有序多孔薄膜，只需使用本产物，并结合溶液法或溶胶-凝胶法即可。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的二元有序胶体晶体模板及其制备方法和用途进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种二元有序胶体晶体模板，由衬底和其上覆有的胶体晶体组成，其特征在于：
所述胶体晶体由两种不同直径的聚苯乙烯胶体球构成，所述两种胶体球直径间的大小比例为5～20∶1，其中，大直径胶体球的球直径为250～5000nm、小直径胶体球的球直径为50～250nm；
所述大直径胶体球按六方有序结构单层排列，所述小直径胶体球位于大直径胶体球之间；
所述胶体晶体的厚度为250～5000nm。
2.根据权利要求1所述的二元有序胶体晶体模板，其特征是大直径胶体球按六方紧密排列。
3.一种权利要求1所述二元有序胶体晶体模板的制备方法，采用微乳液聚合法，其特征在于完成步骤如下：
先将质量百分比溶度均为1.5～10％的大直径聚苯乙烯胶体球溶液和小直径聚苯乙烯胶体球溶液按照体积比为10～30∶1的比例混合均匀，得到混合液，再将混合液滴加至衬底上后旋涂甩开，自然干燥后制得二元有序胶体晶体模板。
4.根据权利要求3所述的二元有序胶体晶体模板的制备方法，其特征是将混合液滴加至衬底上的体积为4～10μL。
5.根据权利要求3所述的二元有序胶体晶体模板的制备方法，其特征是旋涂甩开时的转速为300～1000r/s。
6.根据权利要求3所述的二元有序胶体晶体模板的制备方法，其特征是自然干燥时的温度为24～28℃。
7.根据权利要求3所述的二元有序胶体晶体模板的制备方法，其特征是衬底为玻璃，或单晶硅片，或陶瓷，或云母，或石英。
8.一种权利要求1所述二元有序胶体晶体模板的用途，其特征在于：使用二元有序胶体晶体模板，结合溶液法或溶胶-凝胶法，用于制备单层或多层二元有序多孔薄膜。
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