CN103373702B - 一种以嵌段聚合物为模板实现金纳米粒子生长的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以嵌段聚合物为模板实现金纳米粒子生长的方法，以单晶硅为基底，利用嵌段聚合物为模板来构筑在纳米尺度上有序排列的高密度的金属纳米粒子，然后将其浸泡在一定浓度的金的生长液中，通过控制其在生长液中的生长时间控制纳米粒子尺寸的方法。该方法用旋涂PS-b-PVP在硅基底上复合成膜，利用选择性溶剂处理来诱导PS-b-PVP微相分离形成纳米尺度的微区，利用金属纳米粒子与PS-b-PVP中吡啶环上的氮原子的较强的协同作用，即对Au、Ag纳米粒子有优先选择性，形成有序排列的高密度的金属纳米粒子阵列。通过改变生长液的生长时间可得到不同尺寸的金纳米粒子阵列。

Description

一种以嵌段聚合物为模板实现金纳米粒子生长的方法
技术领域
本发明涉及聚合物的微结构加工方法，尤其涉及一种实现金纳米粒子生长的方法。
背景技术
尺寸、形貌和密度可控的有序纳米材料阵列因其独特的性质及其在太阳能电池、传感器、纳米发电机、光电子、光催化、磁存储等领域的广阔应用前景而成为目前研究的热点领域之一。制备不同功能的纳米器件需要开发不同种类、结构、尺寸形貌等的纳米材料阵列。比如，利用纳米球刻蚀技术在固体基底上沉积有序的金纳米粒子阵列，以其为催化剂模板，制备密度可控、垂直生长的ZnO纳米线阵列，其在纳米发电机、压电、纳米传感器和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。近年来，人们已研究开发出多种控制纳米材料形貌、密度、位置和尺寸的方法，包括电子束蚀刻技术、纳米球刻蚀技术、纳米压印技术和嵌段共聚物蚀刻技术等。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种以单晶硅为基底、利用嵌段聚合物为模板来构筑在纳米尺度上有序的金纳米粒子微结构的方法，并且通过控制其在生长液中的生长时间控制粒子粒径大小。
为了解决上述技术问题，本发明一种以嵌段聚合物为模板实现金纳米粒子生长的方法，包括以下步骤：
步骤一、将硅片依次用蒸馏水、无水乙醇超声30min，然后置于75℃的H2O2：NH3·H2O：H2O体积比为1：1：5的溶液中，沸腾10min，用蒸馏水清洗数次备用；
步骤二、将质量分数为0.5wt%的PS-b-PVP的甲苯混合溶液旋涂在经过步骤一处理过的硅基底上，形成聚合物薄膜，膜厚为20nm；
步骤三、将由步骤二制备好的旋涂有聚合物薄膜的硅基底依次放入PS链段的良溶剂甲苯的饱和蒸汽中溶剂诱导5h、乙醇中浸泡30min，真空干燥1h；
步骤四、将质量分数为0.2wt%的氯金酸的乙醇溶液旋涂在经步骤三真空干燥过的硅基底上；
步骤五、将步骤四所得的硅基底放入氧等离子体清洗器中真空脱气1h，利用氧等离子的清洗功能将硅基底上的聚合物薄膜除去，并且将氯金酸中的Au3+转换成金纳米粒子，形成有序排列的金纳米粒子阵列；
步骤六、将步骤五所得到的硅基底上的金纳米粒子阵列浸泡到金的生长液中1～2h，该生长液的组份为18ml0.1M的CTAB，900ul的0.01M氯金酸醇溶液和100ul的0.1M抗坏血酸，然后用蒸馏水冲洗数次，得到粒径为7～20nm的金纳米粒子阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法具有快速，简便的特点，且具有良好的重复性，可大面积实现尺寸可控的有序排列的金纳米粒子阵列。制备的样品实现了纳米级别的可控形貌。本发明的方法制备的尺寸可控的有序排列的金纳米粒子阵列在太阳能电池、传感器、纳米发电机、光电子、光催化、磁存储等领域有广泛的潜在应用。
附图说明
图1为对比例1制备的六方排列的金纳米粒子阵列的扫描电子显微镜图片；
图2为本发明实施例1制备的六方排列的金纳米粒子阵列的扫描电子显微镜图片；
图3为本发明实施例2制备的六方排列的金纳米粒子阵列的扫描电子显微镜图片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
对比例1：
一种以嵌段聚合物为模板制备金纳米粒子的方法，包括以下步骤：
1、将硅片依次用蒸馏水、无水乙醇超声30min，然后置于75℃的H2O2：NH3·H2O：H2O体积比为1：1：5的溶液中，沸腾10min，用蒸馏水清洗数次备用；
2、将质量分数为0.5wt%的PS-b-PVP的甲苯混合溶液旋涂在经过步骤1处理过的硅基底上形成聚合物薄膜，膜厚约为20nm；
3、将由步骤2制备好的旋涂有聚合物薄膜的硅基底依次放入PS链段的良溶剂甲苯的饱和蒸汽中溶剂诱导5h、乙醇中浸泡30min，真空干燥1h；
4、将质量分数为0.2wt%的氯金酸的乙醇溶液旋涂在经步骤3真空干燥过的硅基底上；
5、将步骤4所得的硅基底放入氧等离子体清洗器中真空脱气1h，利用氧等离子的清洗功能将硅基底上的聚合物薄膜除去，并且将氯金酸中的Au3+转换成金纳米粒子，形成有序排列的金纳米粒子阵列，其中，金纳米粒子粒径大约为7～8nm，其形貌见图1。
实施例1：
实施例1一种以嵌段聚合物为模板实现金纳米粒子生长的方法中与对比例1中的步骤1至5是相同的，只是还包括步骤6，即：
将步骤5所得到的硅基底上的金纳米粒子阵列浸泡到金的生长液中1h，该生长液的组份为18ml0.1M的CTAB，900ul的0.01M氯金酸醇溶液和100ul的0.1M抗坏血酸，然后用蒸馏水冲洗数次，得到较大粒径的金纳米粒子阵列，金纳米粒子的粒径为10～12nm，其形貌见图2。
实施例2：
实施例2一种以嵌段聚合物为模板实现金纳米粒子生长的方法与实施例1中的步骤1至5是相同的，只是在步骤6中将步骤5所得到的硅基底上的金纳米粒子阵列浸泡到金的生长液中2h（该生长液的组份与实施例2中的一样），然后用蒸馏水冲洗数次，得到更大粒径的金纳米粒子阵列，金纳米粒子的粒径大约为15～18nm，其形貌见图3。
综上，本发明方法主要是用旋涂聚苯乙烯-聚乙烯基吡咯烷酮嵌段聚合物（PS-b-PVP）在硅基底上复合成膜，利用选择性溶剂处理来诱导PS-b-PVP微相分离形成纳米尺度的微区，利用金属纳米粒子与PS-b-PVP中吡啶环上的氮原子的较强的协同作用，即对Au、Ag纳米粒子有优先选择性，形成有序排列的高密度的金属纳米粒子阵列。因其固有的自组装特性具有成本低、过程简单、精度高且易放大而受到人们的极大关注。通过改变生长液的浓度以及生长时间可得到不同尺寸的金纳米粒子阵列。制备的金纳米粒子阵列在太阳能电池、传感器、纳米发电机、光电子、光催化、磁存储等领域有广泛的潜在应用。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种以嵌段聚合物为模板实现金纳米粒子生长的方法，包括以下步骤：
步骤一、将硅片依次用蒸馏水、无水乙醇超声30min，然后置于75℃的H2O2：NH3·H2O：H2O体积比为1：1：5的溶液中，沸腾10min，用蒸馏水清洗数次备用；
步骤二、将质量分数为0.5wt%的PS-b-PVP的甲苯混合溶液旋涂在经过步骤一处理过的硅片上，形成聚合物薄膜，膜厚为20nm；
步骤三、将由步骤二制备好的旋涂有聚合物薄膜的硅片依次放入PS链段的良溶剂-甲苯的饱和蒸汽中溶剂诱导5h、乙醇中浸泡30min，真空干燥；
步骤四、将质量分数为0.2wt%的氯金酸的乙醇溶液旋涂在经步骤三真空干燥过的硅片上；
步骤五、将步骤四所得的硅片放入氧等离子体清洗器中真空脱气1h，利用氧等离子的清洗功能将硅片上的聚合物薄膜除去，并且将氯金酸中的Au3+转换成金纳米粒子，形成有序排列的金纳米粒子阵列；
步骤六、将步骤五所得到的硅片上的金纳米粒子阵列浸泡到金的生长液中1～2h，该生长液的组份为18ml0.1M的CTAB，900ul的0.01M氯金酸醇溶液和100ul的0.1M抗坏血酸，然后用蒸馏水冲洗数次，得到粒径为7～20nm的金纳米粒子阵列。
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