CN104876179A - 一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，将一维纳米材料分散到易挥发性溶剂中，通过刮墨工具的运动，利用刮墨工具与液体的表面张力引导分散液进行涂布；同时加热衬底加速分散液的挥发，分散液中的一维纳米材料会在运动、挥发过程中受到剪切力的作用，使得一维纳米材料向涂布方向上转动，待分散溶剂完全挥发，纳米材料则有取向性地附着在衬底上。本发明方法可以适用于易分散于醇、水、苯及氯仿等易挥发性溶剂中的一维纳米材料，可以控制纳米材料取向，并且适用于阵列薄膜的大面积快速制备。另外重复上述步骤可以制备多层纳米材料网络。这种技术在透明电极、传感器、太阳能电池、显示照明等领域有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米功能结构/材料的制备技术领域，涉及一种非接触式一维纳米材料阵列的快速、大面积组装方法，尤其可应用于大尺寸透明导电网络薄膜及半导体功能器件的制备组装。
背景技术
随着纳米材料可控合成技术的快速发展与纳米尺度下独特性能研究的不断深入，纳米材料在众多领域的应用潜力也越来越受到关注。大面积有序化的纳米线阵列对于集成化的器件开发具有重要意义，相比于以光刻为代表的自上而下的复杂加工技术，通过纳米材料自组装，自下而上获得取向可控、密度可调的有序化图案，对于实现工业化生产具有特殊意义。对于具有一维结构纳米材料的阵列组装，研究者发明了许多的方法，如Langmuir-Blodgett法、流体流动法、悬浮液蒸发法、及静电纺丝法等，但这些工艺方法都有一定的缺陷与限制。如Langmuir-Blodgett法虽然可以获得取向性良好的结构，但是其只能实现致密的的单方向排布，无法控制一维纳米材料阵列的排布密度；流体流动技术能在控制一维纳米材料排布取向的同时，控制排列的角度，但需要刻蚀微孔道为导流槽，对技术的要求较高，很难进行大面积的排布；其它方法同样无法实现连续、大面积排布一维纳米材料阵列的组装，因此在大规模工业生产上都存在一定的弊端。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的一维纳米材料阵列排布技术中存在的工序复杂、技术难度大、排布面积有限以及无法连续生产等问题，提供一种简单的能够实现一维纳米材料大面积排列组装的方法。
本发明具体通过以下技术方案实现：
一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，将一维纳米材料分散到易挥发性溶剂中形成稳定分散液，预加热待涂布一维材料的目标衬底，通过刮墨工具(如刮墨刀、刮墨片、刮墨板或迈耶棒)的运动，利用刮墨工具与液体的表面张力引导分散液在衬底上进行涂布；分散液中的一维纳米材料会在刮墨工具的运动和溶剂挥发过程中受到剪切力的作用，形成取向性的排列，待分散溶剂完全挥发，一维纳米材料则有序地涂布在衬底上。
本发明组装方法具体通过以下步骤完成：
1)将需要排列组装的一维纳米材料分散至液体试剂中得到均匀的分散液；
2)预加热衬底至一定温度；
3)控制刮墨工具与衬底保持一定距离，然后将分散液匀速注入刮墨工具与衬底之间的间隙；
4)用电机拖动刮墨工具匀速运动，分散液即在衬底上实现均匀涂布；
5)待分散液挥发完毕，即可得到一维纳米材料在衬底上取向性排列的薄膜；
6)如果要实现多层之间任意夹角的涂布，可转换衬底的方向或旋转刮墨工具的方向，然后重复步骤1)～5)即可。
进一步，
本发明所述分散液的溶剂为易挥发性溶剂，优选为乙醇、水、苯或氯仿中一种。
本发明所述的一维纳米材料为金属纳米线、半导体纳米线或碳纳米管中一种。
步骤2)中所述的衬底预加热温度与分散溶剂有关，具体为乙醇对应的温度为50℃～100℃；水对应的温度为70℃～120℃；苯对应的温度为50℃～100℃；氯仿对应的温度为40℃～80℃；所述的衬底为与分散液亲润良好的表面平整的柔性衬底或者刚性衬底，根据不同应用，优选柔性衬底为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)、PEN(聚萘二酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)以及PC(聚碳酸酯)等聚合物材料，刚性衬底为硅片、二氧化硅、普通玻璃与金属片等。
步骤3)中所述的刮墨工具与衬底不接触，刮墨工具下沿与衬底表面垂直间距为20微米至2毫米。
步骤4)中所述的涂布速度为2至20毫米/秒。
步骤5)中所述的涂布方式可以为单方向一次涂布或来回多次涂布直至分散溶剂完全挥发为止。
本发明的有益效果为：本发明所提供的方法具有简单易行，适用于大面积工业生产的特点。纳米材料的分布密度可以通过控制分散液中纳米材料的浓度、涂布的分散液的量以及涂布面积来控制，因此可以方便地用于制作透明导电网络以及微纳集成器件；另一方面，该方法采取的是非接触式涂布，可以有效避免一维纳米材料在涂布过程中遭受外力破坏。自下而上的组装方式充分利用了纳米材料，避免刻蚀过程导致的原材料及化学试剂浪费。本方法适用于柔性衬底直接涂布，避免了后期转移的复杂工序，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例刮墨工具的结构示意图；
图2是本发明实施例银纳米线的排列光学显微镜图像；
图3是本发明实施例银纳米线的垂直排列网络的扫描电子显微镜图像；
图4是本发明实施例将排列后的银纳米线与喷涂的银纳米线网络的光电性能对比图；
图5是本发明实施例三氧化钼纳米线排布的光学显微镜图像。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。
本发明方法在加热衬底的同时，采用如图1所示装置，利用刮墨工具与分散液的表面张力引导分散液在衬底表面均匀涂布，通过控制加热的温度和刮墨工具的移动速度，利用液体粘滞力和液体蒸发来实现一维纳米材料在衬底上大面积有序排布。步骤为：1)将需要排列组装的一维纳米材料分散至液体试剂中得到均匀的分散液；2)预加热衬底至一定温度；3)控制刮墨工具与衬底保持一定距离，然后将分散液匀速注入刮墨工具与衬底之间的间隙；4)用电机拖动刮墨工具匀速运动，分散液即在在衬底上实现均匀涂布；5)待分散液挥发完毕，即可得到一维纳米材料在衬底上取向性排列的薄膜；6)如果要实现多层之间任意夹角的涂布，可转换衬底的方向或旋转刮墨工具的方向，然后重复步骤1)～5)即可。
实施例1
将银纳米线分散到无水乙醇溶液中，得到浓度为6毫摩/升的分散液，将PET衬底固定到加热台上并加热到85℃，调节刮墨工具与PET距离约500微米，利用电机带动刮墨工具以8毫米/秒的速度来回运动。与此同时，将分散液滴入刮墨工具与衬底间隙，待无水乙醇挥发完毕，即得到单方向排列的银纳米线。最终，得到排列角度在±10度的银纳米线所占比例约80％，如图2所示。
实施例2
将银纳米线分散到无水乙醇溶液中，得到浓度为6毫摩/升的分散液，将玻璃加热到95℃，调节刮墨工具与玻璃的距离约为200微米，用直流电机带动刮墨工具以10毫米/秒的速度运动；同时，将分散液滴入刮墨工具与玻璃的间隙，待无水乙醇挥发完毕，再将玻璃旋转90度。重复以上步骤，得到了垂直阵列的银纳米线导电网络，如图3所示。与普通的喷涂方式相比，导电网络的透过率及方阻性能均有较大的提升，可以达到透过率大于90％，方阻小于20Ω/sq的优异光电性能，如图4所示。
实施例3
将氧化钼纳米线分散到乙醇溶液中，超声分散三分钟，得到均匀的氧化钼分散液，将玻璃加热到95℃，调节刮墨工具与玻璃的距离约为200微米，将分散液注入刮墨工具与玻璃的间隙，用电机带动刮墨工具以10毫米/秒的速度运动直至乙醇挥发完毕。得到单方向排列的氧化钼纳米线，排列角度在±10度间的数目比例大于80％，如图5所示。
Claims (9)
1.一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将需要排列组装的一维纳米材料分散至液体试剂中得到均匀的分散液；
2)预加热衬底至一定温度；
3)控制刮墨工具与衬底保持一定距离，然后将分散液匀速注入刮墨工具与衬底之间的间隙；
4)用电机拖动刮墨工具匀速运动，分散液即在在衬底上实现均匀涂布；
5)待分散液挥发完毕，即可得到一维纳米材料在衬底上取向性排列的薄膜；
6)如果要实现多层之间任意夹角的涂布，可转换衬底的方向或旋转刮墨工具的方向，然后重复步骤(1)～(5)即可。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，其特征在于：所述分散液的溶剂为易挥发性溶剂。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，其特征在于：所述的一维纳米材料为金属纳米线、半导体纳米线或碳纳米管中一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，其特征在于：步骤(2)中所述的衬底预加热温度与分散溶剂有关。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，其特征在于：所述的衬底为与分散液亲润良好的表面平整的柔性衬底或者刚性衬底。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，其特征在于：步骤(3)中所述的刮墨工具与衬底不接触。
7.根据权利要求6所述的一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，其特征在于：所述的间距为20微米至2毫米。
8.根据权利要求1所述的一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，其特征在于：所选步骤(4)中的涂布速度为2至20毫米/秒。
9.根据权利要求1所述的一种非接触式一维纳米材料阵列的大面积组装方法，其特征在于：步骤(5)中的涂布方式为单方向一次涂布或来回多次涂布直至分散溶剂完全挥发为止。
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