CN105780102A - 一种快速制备单/双元二维胶体晶体的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种快速制备单/双元二维胶体晶体的装置：包括水槽、第一滚轴、第二滚轴和横杆，水槽的底部为一倾斜面，倾斜面右侧的高度高于左侧；水槽的前侧壁上设置有第一前凸台和第二前凸台，第一前凸台位于第二前凸台的左侧；水槽的后侧壁上设置有第一后凸台和第二后凸台，第一后凸台位于第二后凸台的左侧；横杆的两端分别固定在第一前凸台和第一后凸台上；第一滚轴的两端分别与水槽的前侧壁下端、后侧壁下端转动连接；第二滚轴的两端分别与第二前凸台和第二后凸台转动连接；第一滚轴和第二滚轴之间设置有传送带。本发明的装置结构简单、操作方便、效率高，有利于实现有序胶体球模板的快速高效制备。

Description

一种快速制备单/双元二维胶体晶体的装置
技术领域
本发明涉及胶体晶体制备领域，具体涉及一种快速制备单/双元二维胶体晶体的装置。
背景技术
纳米结构独特的光学、电学等方面的优良特性引起了人们的广泛关注，并发明了许多制备纳米结构的方法，如EBL、纳米压印和干涉光刻技术等。但这些方法大都较为复杂，效率不高，而纳米球刻蚀技术因其能够快速高效制备纳米结构而备受关注，它是一种并行的制备纳米点阵的自组装方法，其核心是二维有序纳米胶体球阵列掩膜的制备。目前能够实现高效制备二维有序纳米胶体球阵列的方法是利用胶体球在气液界面的自组装来完成。
为了实现胶体球在气液界面的自组装得到二维有序结构，必须还要借助一些恰当的设备。比如，先用旋涂法在基片上获得均匀分布，再把基片缓慢插入水中，从而获得二维有序结构；利用微量进样器，在水面上直接成膜；利用液体与固体之间的弯月界面等。这些方法要么效率不高，要么仪器过于精密，操作过于复杂，而且不能用于制备具有两种粒径微球的胶体晶体。气液界面是实现自组装的理想场所，要更好地实现有序二维胶体结构的高效制备和获得结构更为复杂的纳米结构，就需要设计一种更有利于实现胶体球在气液界面自组装并能用于制备双元胶体晶体的装置。
发明内容
本发明为克服现有制备纳米球刻蚀技术中模板制备过程较为复杂、效率不高、二元复合胶体结构制备困难的缺陷，而提供一种快速制备单/双元二维胶体晶体的装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种快速制备单/双元二维胶体晶体的装置：包括水槽、第一滚轴、第二滚轴和横杆，水槽的底部为一倾斜面，倾斜面右侧的高度高于左侧；水槽的前侧壁上设置有第一前凸台和第二前凸台，第一前凸台位于第二前凸台的左侧；水槽的后侧壁上设置有第一后凸台和第二后凸台，第一后凸台位于第二后凸台的左侧；横杆的两端分别固定在第一前凸台和第一后凸台上；第一滚轴的两端分别与水槽的前侧壁下端、后侧壁下端转动连接；第二滚轴的两端分别与第二前凸台和第二后凸台转动连接；第一滚轴和第二滚轴之间设置有传送带，传送带从横杆的下方穿过，横杆上固定有一个容器，容器的底部与传送带的上表面的距离为0.5~1.5mm，容器的底部设置有一细缝；第二滚轴上连接有驱动装置。水槽的左端连接有出水管。
所述传送带的表面涂有亲水涂料，所述亲水涂料为氧化硅/氧化钛双层薄膜。
优选的，水槽的底部设置有平台，平台位于水槽的左端，用于放置转移微球膜的基片。单/双元二维胶体晶体形成完全后，可以通过出水管15将水放出，从而通转移微球膜的基片将单/双元二维胶体晶体取出。
优选的，所述驱动装置包括电机，主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮设置在第二滚轴上，主动齿轮设置在电机转轴上，主动齿轮和从动齿轮啮合连接。
优选的，所述水槽内表面涂有聚四氟乙烯。
本发明所依据的是一种气液自组装的基本原理。自组装是一种自下而上制备纳米结构的方法，要得到二维有序胶体球阵列，那么胶体球首先要充分的分散到一个平面上，接近一种单层分布，但微球之间的间距不能过大，然后把分散好的微球层慢慢转移到水面上。胶体稳定态被毛细力打破，使得凝结核得以形成，从而使胶体晶体单层膜开始生成。随着溶液的不断加入水面毛细力逐渐减弱，毛细力逐渐增大，更有利于单层膜的生成，这是本发明的理论基础。之所以不直接在水面上直接分散微球，是因为水面流动性过大，含有乙醇分散剂的微球溶液一接触水面就立即散开，造成微球间距过大，不能直接成膜。微球之间毛细力与表面张力的关系为：，其中R1、R2为微球半径，γ为表面张力，K1为修正贝塞尔函数，q-1为毛细力长度，L为微球间距。
制备胶体膜时，溶液加入到传送带上，将溶液慢慢送入到水中，溶液接触到水面时，马拉高尼效应会形成一个短程表面流，把聚苯乙烯微球分散到水面上。并且在乙醇分散剂的作用下，水亚相的表面张力会随着溶液的不断加入而逐渐降低，而微球之间的毛细力与水面张力成反比，因此微球之间的毛细力会随着溶液的加入不断升高，从而有利于微球的聚集。在静电斥力的作用下，微球之间的粘附几率会相对较低，从而有利于微球调节相对位置，形成二维结构。
本发明产生的有益效果是：本发明的装置结构简单、操作方便、效率高，有利于实现有序胶体球模板的快速高效制备。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明中实施例1中采用粒径为100nm的聚苯乙烯微球溶液制备的单元二维胶体晶体的SEM图；
图3为本发明中实施例1中采用粒径为300nm的聚苯乙烯微球溶液制备的单元二维胶体晶体的SEM图；
图4为本发明实施例1中采用粒径为100nm、870nm的聚苯乙烯微球的混合溶液制备的双元二维胶体晶体的SEM图。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。以下所用粒径为100nm、300nm聚苯乙烯微球溶液购买自南京捷纳思新材料有限公司，规格分别如下：牌号JNS-PC01-100、粒径100nm、固含量w/v为5%、单分散指数≤5%、规格10ml、溶剂水；牌号JNS-PC01-300、粒径300nm、固含量w/v为5%、单分散指数≤5%、规格10ml、溶剂水。以下所用粒径为870nm聚苯乙烯微球溶液购买自ThermoScientific公司（LatexMicrosphereSuspensions-5000Series），规格如下：牌号5088A、粒径870nm、固含量w/v为5%、单分散指数≤3%、规格15ml、溶剂水。
实施例1
如图1所示，一种快速制备单/双元二维胶体晶体的装置：包括水槽1、第一滚轴2、第二滚轴3和横杆4，水槽1的底部为一倾斜面，倾斜面右侧的高度高于左侧；水槽1的前侧壁上设置有第一前凸台5和第二前凸台6，第一前凸台5位于第二前凸台6的左侧；水槽1的后侧壁上设置有第一后凸台7和第二后凸台8，第一后凸台7位于第二后凸台8的左侧；横杆4的两端分别固定在第一前凸台5和第一后凸台7上；第一滚轴2的两端分别与水槽1的前侧壁下端、后侧壁下端转动连接；第二滚轴3的两端分别与第二前凸台6和第二后凸台8转动连接；第一滚轴2和第二滚轴3之间设置有传送带9（传送带9的表面涂有氧化硅/氧化钛双层薄膜），传送带9从横杆4的下方穿过，横杆4上固定有一个塑料容器10，容器10的底部与传送带9的上表面的距离为1mm，容器10的底部设置有一细缝（图中未画出）；第二滚轴3上连接有驱动装置，所述驱动装置包括电机12，主动齿轮13和从动齿轮14，从动齿轮14设置在第二滚轴3上，主动齿轮13设置在电机转轴上，主动齿轮13和从动齿轮14啮合连接。水槽1的底部设置有平台11，平台11位于水槽1的左端。所述水槽1内表面涂有聚四氟乙烯，水槽1的左端连接有出水管15。
制备胶体膜时，把用乙醇分散后（将聚苯乙烯微球溶液与无水乙醇按体积1:1混合后超声分散）的聚苯乙烯微球溶液加入到塑料容器10中，然后电机驱动传送带的上半部向左侧移动，聚苯乙烯微球溶液分散在涂有氧化硅/氧化钛双层薄膜的传送带表面，再使聚苯乙烯微球溶液慢慢进入水中（刚开始时传送带位于塑料容器10右侧的部分不接触水槽的水面），
微球溶液接触到水面时，马拉高尼效应会形成一个短程表面流，把微球分散到水面上。并且在乙醇分散剂的作用下，水亚相的表面张力会随着溶液的不断加入而逐渐降低，而微球之间的毛细力与水面张力成反比，因此微球之间的毛细力会随着溶液的加入不断升高，从而有利于微球的聚集。在静电斥力的作用下，微球之间的粘附几率会相对较低，从而有利于微球调节相对位置，形成二维结构。单/双元二维胶体晶体形成完全后，可以通过出水管15将水放出，从而通转移微球膜的基片将单/双元二维胶体晶体取出。
利用实施例1的快速制备单/双元二维胶体晶体的装置，采用粒径为100nm的聚苯乙烯微球溶液制备的单元二维胶体晶体的SEM图如图2所示，采用粒径为300nm的聚苯乙烯微球溶液制备的单元二维胶体晶体的SEM图如图3所示，采用粒径为100nm、870nm的聚苯乙烯微球的混合溶液（100nm、870nm的聚苯乙烯微球溶液的体积比为1:20）制备的双元二维胶体晶体的SEM图如图4所示。从图2-4可以看出，利用本发明的二维胶体晶体的制备装置制备的二维胶体晶体膜中微球呈六角形排列，符合晶体结构特征，证实了该装置能够快速制备二维胶体晶体。

Claims (5)

1.一种快速制备单/双元二维胶体晶体的装置，其特征在于：包括水槽、第一滚轴、第二滚轴和横杆，水槽的底部为一倾斜面，倾斜面右侧的高度高于左侧；水槽的前侧壁上设置有第一前凸台和第二前凸台，第一前凸台位于第二前凸台的左侧；水槽的后侧壁上设置有第一后凸台和第二后凸台，第一后凸台位于第二后凸台的左侧；横杆的两端分别固定在第一前凸台和第一后凸台上；第一滚轴的两端分别与水槽的前侧壁下端、后侧壁下端转动连接；第二滚轴的两端分别与第二前凸台和第二后凸台转动连接；第一滚轴和第二滚轴之间设置有传送带，横杆上固定有一个容器，容器的底部与传送带的上表面的距离为0.5~1.5mm，容器的底部设置有一细缝；第二滚轴上连接有驱动装置。
2.如权利要求2所述快速制备单/双元二维胶体晶体的装置，其特征在于：所述传送带的表面涂有亲水涂料，所述亲水涂料为氧化硅/氧化钛双层薄膜。
3.如权利要求1所述快速制备单/双元二维胶体晶体的装置，其特征在于：水槽的底部设置有平台，平台位于水槽的左端。
4.如权利要求1所述快速制备单/双元二维胶体晶体的装置，其特征在于：所述驱动装置包括电机，主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮设置在第二滚轴上，主动齿轮设置在电机转轴上，主动齿轮和从动齿轮啮合。
5.如权利要求1所述快速制备单/双元二维胶体晶体的装置，其特征在于：所述水槽内表面涂有聚四氟乙烯。
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