CN103623748A - 一种基于压电陶瓷振动激励的胶体球垂直自组装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于压电陶瓷振动激励的胶体球垂直自组装方法。成膜过程中，垂直放置的清洁基片的顶端与压电陶瓷片刚性连接，压电陶瓷片上施加一定频率和振幅的激励电压，带动基片在垂直方向上振动。通过压电振动产生的小的能量扰动，使得胶体球更容易迁移到能量极小位置，从而形成更大面积有序的胶体晶体结构。本发明的制备方法成本低廉，操作简单，可很容易地制备粒径介于90nm~800nm范围内的胶体晶体结构。相对于单纯的垂直沉积方法，本发明所制备胶体晶体结构缺陷更少，有序面积更大。

Description

一种基于压电陶瓷振动激励的胶体球垂直自组装方法
技术领域
本发明涉及一种基于压电陶瓷振动激励的胶体球垂直自组装方法。该方法将压电陶瓷片振动激励和垂直自组装方法结合，实现了高有序性、大面积的单分散胶体球自组装。
背景技术
单分散胶体球自组装形成的有序结构被称为胶体晶体。以这类胶体晶体为模板，可制备光子晶体、各种金属的纳米点阵以及各类有序多孔结构。近年来开发的单分散胶体球的自组装方法包括：垂直沉积法、重力沉降法、旋涂法、物理限制自组装法等。然而大面积有序的三维胶体晶体结构的制备仍存在挑战。为了进一步减少自组装制备的胶体晶体内部缺陷，本发明在垂直沉积法的基础上，引入压电陶瓷振动激励，通过压电振动产生的小的能量扰动，使得胶体球更容易迁移到能量极小位置，从而形成更大面积有序的胶体晶体结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易行的基于压电陶瓷振动激励的胶体球垂直自组装方法。
本发明所涉及材料包括：单分散胶体球溶液，平整基片，压电陶瓷片。
本发明提出的基于压电陶瓷振动激励的单分散胶体球垂直自组装方法，所述方法使用垂直沉积系统，所述系统由支架、压电陶瓷片、平整基片、激励电压源和单分散胶体球溶液组成，所述单分散胶体球溶液置于烧杯内，平整基片垂直插入烧杯内，其上端与压电陶瓷片底部连接，压电陶瓷片连接激励电压源；具体步骤如下：
(1) 将单分散胶体球的水溶液用去离子水稀释至质量浓度为0.1%至3%，并取稀释后的单分散胶体球溶液置于烧杯中；
(2) 清洁的平整基片垂直插入步骤(1)所述烧杯中，并部分浸没于稀释的单分散胶体溶液中；
(3) 平整基片的上端与压电陶瓷片底表面刚性连接；
(4) 将垂直沉积系统移至一恒温恒湿箱内，调节恒温恒湿箱内的温度为室温到75oC，相对湿度为30%到70%；
(5) 在压电陶瓷片上下电极间施加固定频率、固定振幅的驱动电压，使得压电陶瓷片在厚度方向上振荡，从而带动与之刚性连接的压电陶瓷片在与单分散胶体球液面垂直的方向上振动；控制驱动电压频率在1kHz以下，电压幅值要确保陶瓷片振动振幅为100-800nm；
(6) 根据恒温恒湿箱内的温度和湿度，溶液完全挥发所需时间为5小时到36小时；待溶液挥发后，胶体球在压电陶瓷基片表面自组装成有序结构；
(7) 待溶液挥发完之后，由箱内取出烧杯，取出压电陶瓷基片，在压电陶瓷基片表面即可获得大面积有序密排的胶体晶体结构。
本发明中，所述单分散胶体球为单分散聚苯乙烯胶体球。
在实际操作过程中，应根据胶体球粒径、胶体球溶液浓度、成膜温度等参数，合理优化压电陶瓷片振动振幅和频率。对于质量浓度0.6%的206nm粒径的聚苯乙烯胶体球，在控制温度60oC,相对湿度60%情况下，优化的压电陶瓷激励频率为300Hz，振动振幅为310nm。
本发明的制备方法成本低廉，操作简单，可很容易地制备粒径介于90nm~800nm范围内的胶体晶体结构。相对于单纯的垂直沉积方法，本发明所制备胶体晶体结构缺陷更少，有序面积更大。
附图说明
图1为基于压电陶瓷振动激励的单分散胶体球垂直沉积法的装置示意图，图中标号：1为支架；2为压电陶瓷片；3为平整基片；4为激励电压源；5为单分散胶体球溶液。
图2为某市面上购置的锆钛酸铅压电陶瓷片振动振幅与激励电压幅值和频率的关系。其中数据点1为激励电压频率为10Hz时测得数据；数据点2为激励电压频率为300Hz时测得数据。
图3为不同激励振幅条件下获得的胶体晶体膜的光学显微镜(图a1, a2, a3)和原子力显微镜(图b1, b2, b3)图像。图b1、b2和b3中插图分别为相应的傅里叶变换谱。其中光学图像成像面积1mm2，原子力显微镜图像成像面积10×10μm2。胶体球粒径206nm，激励电压频率300Hz。图a1和b1为不施加激励电压情况下的胶体晶体图像；图a2和b2对应的激励电压频率300Hz，振动振幅310nm；图a3和b3对应的激励电压频率300Hz、振动振幅1.68μm。
图4为不同温度下获得的胶体晶体膜的光学显微镜图像，成像面积为0.20mm2。图a、b、c所对应的成膜温度分别为室温(~25oC)、50℃和75oC。胶体球粒径206nm，压电激励频率300Hz，振幅310nm。
具体实施方式
下面结合两个实施例，阐述本发明所声明的基于压电陶瓷振动激励的单分散胶体球自组装方法。本实施例阐述不同压电振动振幅对胶体球自组装质量的影响。
实施例1
本实施例用于阐述不同压电振动振幅对胶体球自组装质量的影响。
单分散聚苯乙烯胶体球水溶液，胶体球粒径206nm，用去离子水将溶液稀释至0.6%质量浓度。
取4ml稀释后的胶体球溶液置入标称容量为5ml的烧杯中。
市面上购置的锆钛酸铅压电陶瓷片作为振动激励源，该锆钛酸铅压电陶瓷片振动振幅与激励电压幅值和频率的关系如附图2。
将清洁的载玻片垂直插入烧杯中，载玻片浸入溶液部分约2cm；载玻片顶端与压电陶瓷片底端刚性连接。
将垂直沉积成膜系统放入恒温恒湿箱中，控制温度60oC,相对湿度60%。同时在锆钛酸铅陶瓷片上下电极间施加频率300Hz的方波激励电压。为了说明不同压电振动振幅对成膜质量的影响，按照上述步骤，先后制备3片胶体晶体膜，其压电陶瓷片驱动电压振幅分别为0V、30V和140V，对应于压电振动振幅0nm、310nm和1.68μm。
18小时后，溶液完全挥发，取出烧杯，获得所制备的胶体晶体膜，并比较其成膜质量。由图3可见，对于上述实验条件，压电陶瓷片激励频率300Hz、振动振幅310nm时，成膜质量最佳。
实施例2：
本实施例用于阐述适用的胶体晶体成膜温度。
单分散聚苯乙烯胶体球水溶液，胶体球粒径206nm，用去离子水将溶液稀释至0.6%质量浓度。
取4ml稀释后的胶体球溶液置入标称容量为5ml的烧杯中。
市面上购置的锆钛酸铅压电陶瓷片作为振动激励源，该锆钛酸铅压电陶瓷片振动振幅与激励电压幅值和频率的关系如附图2。
将清洁的载玻片垂直插入烧杯中，载玻片浸入溶液部分约2cm；载玻片顶端与压电陶瓷片底端刚性连接。
将垂直沉积成膜系统放入恒温恒湿箱中，控制相对湿度50%。同时在锆钛酸铅陶瓷片上下电极间施加频率300Hz的方波激励电压，振动振幅310nm。为了说明不同温度对成膜质量的影响，按照上述步骤，先后制备3片胶体晶体膜，其对应的成膜温度分别为室温(~25oC)、50℃和75oC。
溶液完全挥发后，取出烧杯，获得所制备的胶体晶体膜，并比较其成膜质量。由图4可见，对于上述3个成膜温度，均获得高质量的胶体晶体膜。

Claims (2)

1.一种基于压电陶瓷振动激励的单分散胶体球垂直自组装方法，其特征在于所述方法使用垂直沉积系统，所述系统由支架、压电陶瓷片、平整基片、激励电压源和单分散胶体球溶液组成，所述单分散胶体球溶液置于烧杯内，平整基片垂直插入烧杯内，其上端与压电陶瓷片底部连接，压电陶瓷片连接激励电压源；具体步骤如下：
(1) 将单分散胶体球的水溶液用溶液去离子水稀释至质量浓度为0.1%至3%，并取稀释后的单分散胶体球溶液置于烧杯中；
(2) 清洁的平整基片垂直插入步骤(1)所述烧杯中，并部分浸没于稀释的单分散胶体溶液中；
(3) 平整基片的上端与压电陶瓷片底表面刚性连接；
(4) 将垂直沉积系统移至一恒温恒湿箱内，调节恒温恒湿箱内的温度为室温到75oC，相对湿度为30%到70%；
(5) 在压电陶瓷片上下电极间施加固定频率、固定振幅的驱动电压，使得压电陶瓷片在厚度方向上振荡，从而带动与之刚性连接的压电陶瓷片在与单分散胶体球液体面垂直的方向上振动；控制驱动电压频率在1kHz以下，电压幅值要确保陶瓷片振动振幅为100-800nm；
(6) 根据恒温恒湿箱内的温度和湿度，溶液完全挥发所需时间为5小时到36小时；待溶液挥发后，胶体球在压电陶瓷基片表面自组装成有序结构；
(7) 待溶液挥发完之后，由箱内取出烧杯，取出压电陶瓷基片，在压电陶瓷基片表面即可获得大面积有序密排的胶体晶体结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述单分散胶体球为单分散聚苯乙烯胶体球。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107651648A (zh) * 2017-10-20 2018-02-02 常州工学院 一种基于微振动激励微器件自装配装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1936074A (zh) * 2005-09-21 2007-03-28 中国科学院物理研究所 一种减压自组装生长三维光子晶体薄膜的方法及装置
CN101392407A (zh) * 2008-10-07 2009-03-25 南京师范大学 一种圆柱空心型的大孔有序的胶体晶体的制备方法
CN101429049A (zh) * 2007-11-08 2009-05-13 中国科学院物理研究所 一种自组装生长三维有序多孔材料的方法
CN101597786A (zh) * 2009-07-02 2009-12-09 中国科学院物理研究所 用于制备胶体晶体单层膜的装置及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1936074A (zh) * 2005-09-21 2007-03-28 中国科学院物理研究所 一种减压自组装生长三维光子晶体薄膜的方法及装置
CN101429049A (zh) * 2007-11-08 2009-05-13 中国科学院物理研究所 一种自组装生长三维有序多孔材料的方法
CN101392407A (zh) * 2008-10-07 2009-03-25 南京师范大学 一种圆柱空心型的大孔有序的胶体晶体的制备方法
CN101597786A (zh) * 2009-07-02 2009-12-09 中国科学院物理研究所 用于制备胶体晶体单层膜的装置及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIHAO ZHANG ETAL.: "Fabrication of high-quality colloidal crystal films by vertical deposition method integrated with a piezoelectric actuator", 《THIN SOLID FILMS》 *
ZHONG-ZE GU ETAL.: "Fabrication of High-Quality Opal Films with Controllable Thickness", 《CHEM. MATER.》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107651648A (zh) * 2017-10-20 2018-02-02 常州工学院 一种基于微振动激励微器件自装配装置及方法

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