CN107099288A - 碳点复合薄膜的制备方法及碳点复合薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳点复合薄膜的制备方法及碳点复合薄膜，其中，制备方法包括：提供表面带有第一极性电荷的基板，具有第二极性电荷的聚合物溶液以及具有第一极性电荷的碳点溶液；第一极性电荷和第二极性电荷的极性相反；对基板依次重复进行形成聚合物薄膜操作和形成碳点薄膜操作；形成聚合物薄膜操作包括：浸入聚合物溶液；清洗干燥；形成碳点薄膜操作包括：浸入碳点溶液；清洗干燥。本发明得到碳点复合薄膜的制备方法简单高效。

Description

碳点复合薄膜的制备方法及碳点复合薄膜

技术领域

本发明涉及量子点技术领域，特别是涉及一种碳点复合薄膜的制备方法及碳点复合薄膜。

背景技术

量子点能够在收到短波长光激发时发射出荧光，发出的荧光具有色域广、色彩饱和度高的优点，因此量子点广泛的应用在光敏电池、显示装置、医疗成像等方面。一般来说，将量子点材料制作为薄膜以实现应用，当前量子点薄膜的制备工艺复杂，且容易造成环境污染。

发明内容

本发明提供一种碳点复合薄膜的制备方法及碳点复合薄膜，以解决现有技术中量子点薄膜制备复杂，且容易造成环境污染的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种碳点复合薄膜的制备方法，其包括：提供表面带有第一极性电荷的基板，具有第二极性电荷的聚合物溶液以及具有第一极性电荷的碳点溶液；第一极性电荷和第二极性电荷的极性相反；对基板依次重复进行形成聚合物薄膜操作和形成碳点薄膜操作，以在基板表面形成由至少一聚合物薄膜和至少一碳点薄膜间隔层叠的碳点复合薄膜；形成聚合物薄膜操作包括：浸入聚合物溶液；清洗干燥；形成碳点薄膜操作包括：浸入碳点溶液；清洗干燥。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种碳点复合薄膜，其包括间隔层叠设置的至少一聚合物薄膜和至少一碳点薄膜；聚合物薄膜和碳点薄膜依次形成于一基板上；基板表面带有第一极性电荷，聚合物薄膜带有第二极性电荷，碳点薄膜带有第一极性电荷，第一极性电荷和第二极性电荷的极性相反。

本发明碳点复合薄膜的制备方法，其包括：提供表面带有第一极性电荷的基板，具有第二极性电荷的聚合物溶液以及具有第一极性电荷的碳点溶液；第一极性电荷和第二极性电荷的极性相反；对基板依次重复进行形成聚合物薄膜操作和形成碳点薄膜操作，以在基板表面形成由至少一聚合物薄膜和至少一碳点薄膜间隔层叠的碳点复合薄膜；形成聚合物薄膜操作包括：浸入聚合物溶液；清洗干燥；形成碳点薄膜操作包括：浸入碳点溶液；清洗干燥。本发明利用第一极性电荷和第二极性电荷之间的静电作用使得薄膜层之间相互连接，仅需层层的形成薄膜即可得到碳点复合薄膜，从而实现简单高效的制备。

附图说明

图1是本发明碳点复合薄膜的制备方法一实施例的流程示意图；

图2是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中步骤S2后基板的结构示意图；

图3是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中步骤S3后基板的结构示意图；

图4是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中依次重复进行步骤S2和步骤S3后基板的另一结构示意图；

图5是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中步骤S4后基板的结构示意图；

图6是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中制备碳点溶液的流程示意图；

图7是本发明碳点溶液中碳点的结构形态示意图；

图8是本发明碳点复合薄膜一实施例的结构示意图；

图9是本发明显示面板一实施例的结构示意图；

图10是本发明显示装置一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对发明所提供的一种碳点复合薄膜的制备方法及碳点复合薄膜做进一步详细描述。

本发明制备方法所制得的碳点复合薄膜为聚合物薄膜和碳点薄膜的间隔层叠结构，其形成于一基板上，聚合物薄膜与基板之间、聚合物薄膜与碳点薄膜之间均基于静电作用实现相互连接。

为获得碳点复合薄膜，提供本发明制备方法一实施例，具体参阅图1，图1是本发明碳点复合薄膜的制备方法一实施例的流程示意图，本实施例包括以下步骤S1-S4。

需要说明的是，本实施例制备方法以基板为主体，整个制备过程以基板为对象进行操作，下述步骤S1中基板为不包括任何薄膜的基板，而在进行到后续步骤S2-S4时，则基板为包括薄膜的基板，为方便描述，以下在名称上不作区分。

S1：提供基板、聚合物溶液和碳点溶液。

在本步骤S1中准备好制备碳点复合薄膜所需要的材料，包括基板、聚合物溶液和碳点溶液。

其中，基板的表面带有第一极性电荷，聚合物溶液具有第二极性电荷，碳点溶液具有第一极性电荷。其中，第一极性电荷和第二极性电荷极性相反，即基于第一极性电荷和第二极性电荷之间的静电作用，能够实现在基板表面附着聚合物，从而在基板表面形成聚合物薄膜，而聚合物也能够与碳点产生相互作用，从而在聚合物薄膜上进一步形成碳点薄膜。

因此，本步骤S1中可提供表面带有负电荷的基板，具有正电荷的聚合物溶液和具有负电荷的碳点溶液；或提供表面带有正电荷的基板，具有负电荷的聚合物溶液和具有正电荷的碳点溶液。

具体来说，本步骤S1中基板可以为石英基板或玻璃基板，使基板表面带有电荷则可采用对基板进行表面活化处理的方式，且可以仅基板的一个表面进行处理，也可以对基板的两个表面都进行处理。

聚合物溶液则可采用具有负电荷的聚苯乙烯磺酸钠溶液、聚丙烯酸溶液或透明质酸溶液；或者具有正电荷的壳聚糖溶液、聚赖氨酸溶液或聚乙烯亚胺溶液。

具备正电荷或负电荷的碳点溶液则可通过微波法、电化学法、激光消融法、热解法或模板法制得。

在准备好基板、聚合物溶液和碳点溶液后，首先进行下述步骤S2。

S2：对基板进行形成聚合物薄膜的操作。

本步骤S2为对基板进行形成聚合物薄膜的操作，即在基板上形成聚合物薄膜，首先需要将基板浸入聚合物溶液；然后对基板进行清洗干燥的操作。

具体来说，将基板浸入聚合物溶液中15min～25min，本实施例中浸泡20min，然后使用超纯水清洗浸泡后的基板，并使用氮气吹干该基板，当然也可使用其他惰性气体进行干燥操作。

可结合图2进一步理解本步骤S2，图2是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中步骤S2后基板的结构示意图。

图2中基板11上形成有聚合物薄膜12，由于本实施例步骤S2中仅仅使用惰性气体进行吹干操作，因此聚合物薄膜12从宏观上看为薄膜状态，但从微观上看可能并未形成严格的薄膜层状结构，而可能是图2中所示的不规则状态。最终成型在步骤S4中实现，此处暂不作说明，在描述步骤S4时再进行详细说明。

此外，图2中聚合物薄膜12仅形成于基板11的一侧，即图2中所示的基板11仅有一个表面具有电荷，对于两个表面都具有电荷的基板，可同理推出，以下步骤中对此不再多作说明。

在完成步骤S2后，对应于基板上聚合物薄膜的第二极性电荷，后面进一步形成具有第一极性电荷的碳点薄膜，即进行步骤S3。

S3：对基板进行形成碳点薄膜的操作。

在本步骤S3中首先将基板浸入碳点溶液中15min～25min，本实施例中浸泡20min，然后使用超纯水清洗浸泡后的基板，并使用氮气吹干该基板，当然也可使用其他惰性气体进行干燥操作。

结合图3以进一步理解本步骤S3，图3是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中步骤S3后基板的结构示意图。

图3中，聚合物薄膜12上进一步形成有碳点薄膜13，与上述步骤S2相同，所形成的碳点薄膜13在宏观上为薄膜状态，但微观上可能并未形成严格的薄膜层状结构，即可能是图3中所示的不规则状态。

由以上对步骤S2、S3的描述可知，聚合物薄膜和碳点薄膜均基于静电作用相互结合构成碳点复合薄膜，为形成预定厚度的碳点复合薄膜，可能需要多层聚合物薄膜和多层碳点薄膜，因此在进行碳点复合薄膜的制备时，需要依次重复进行步骤S2和步骤S3，以在基板表面形成由至少一聚合物薄膜和至少一碳点薄膜间隔层叠的碳点复合薄膜。

具体来说，对于一层聚合物薄膜和一层碳点薄膜的碳点复合薄膜，则依次重复进行步骤S2和步骤S3中重复次数为0，即依次进行一次形成聚合物薄膜操作和一次形成碳点薄膜操作即可。

对于多层聚合物薄膜和多层碳点薄膜的碳点复合薄膜，有两种情况：一是聚合物薄膜的层数多于碳点薄膜的层数，此时，依次重复进行步骤S2和步骤S3中，进行步骤S2的次数较进行步骤S3的次数多一次，且步骤S2和步骤S3依次交替进行。

二是聚合物薄膜的层数等于碳点薄膜的层数，此时，依次重复进行步骤S2和步骤S3中，进行步骤S2的次数较进行步骤S3的次数相同，且步骤S2和步骤S3依次交替进行。

例如在图4所示，图4是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中依次重复进行步骤S2和步骤S3后基板的另一结构示意图。图4中所形成的聚合物薄膜12的层数为4层，碳点薄膜13的层数为3层。

依次重复进行步骤S2和步骤S3后，基板表面形成至少一聚合物薄膜和至少一碳点薄膜的间隔层叠结构，然后进行步骤S4。

S4：干燥成型。

本实施例中在70℃～90℃的温度下干燥30min～50min，具体来说，把基板放入干燥箱中80℃干燥40min，最终得到如图5所示的碳点复合薄膜，图5是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中步骤S4后基板的结构示意图，图5对应于图4，成型的碳点复合薄膜具有四层聚合物薄膜12和三层碳点薄膜13。

经过上述步骤S1-S4，最终成型得到碳点复合薄膜。整个制备过程简单高效，且通过控制步骤S2和S3的重复次数从而获得不同层数及所需厚度的碳点复合薄膜。

对于上述制备方法中所需的碳点溶液，可采用微波法制得。具体请参阅图6，图6是图1所示碳点复合薄膜的制备方法一实施例中制备碳点溶液的流程示意图。

碳点溶液即尺寸小于10nm，近似球形，以碳为基本结构单元的纳米颗粒分散于溶剂，碳点的形态可参阅图7，图7是本发明碳点溶液中碳点的结构形态示意图，其中带有羧基(-COOH)的碳点即带负电荷的碳点，带有氨基(-NH₂)的碳点即带正电荷的碳点。由此，在制得碳点溶液时，需要碳源和氮源以获得基本结构单元碳以及羧基或氨基。

具体来说，制备碳点溶液的方法包括以下步骤：

S11：将碳源和氮源溶解于水中，得到混合溶液。

本步骤S11中将碳源和氮源溶于水中后搅拌，使碳源和氮源充分溶解，得到澄清的混合溶液，其中，碳源提供羧基，氮源提供氨基，当碳源中羧基与氮源中氨基的摩尔比大于1时，碳基本结构单元的表面带有羧基，得到的碳点溶液具有负电荷；当碳源中羧基与氮源中氨基的摩尔比小于1时，碳基本结构单元的表面带有氨基，最终得到的碳点溶液具有正电荷。

碳源可以为维生素C、甘油、乙二醇、葡萄糖、蔗糖、柠檬酸或丙烯酸；氮源可以为尿素、乙二胺、三乙胺或二乙醇胺。

S12：对混合溶液进行微波反应，得到固体反应物。

将混合溶液放入微波炉中微波反应一段时间，以生成碳点，微波功率越大，相应的反应时间越短，且控制微波功率及反应时间，可制备出不同粒径的碳点，微波功率越大，粒径越大，反应时间越长，粒径也越大。反应后冷却至室温，得到固体反应物。

S13：将固体反应物溶解于水中，并获取上清液。

将固体反应物加入去离子水中，超声分散溶解，且离心去除大的颗粒，得到上清液。

S14：对上清液进行透析、沉淀、清洗、干燥，得到固体碳点。

获取上清液，用透析膜对上清液进行透析，去除小分子的碳源和氮源，得到碳点，用丙酮或乙醇进行沉淀，并对沉淀物进行至少一次次清洗，然后真空干燥，得到固体状的碳点。

S15：将固体碳点分散于水中，形成碳点溶液。

将固体碳点分散于去离子水中，得到一定浓度的碳点溶液。

通过上述步骤S11-S15可制备带正电荷或带负电荷的碳点溶液。例如，在本实施例中进行步骤S11时，若制备正电荷碳点溶液，则将100mmol丙烯酸和100mmol乙二胺混合并溶解至50ml水中，得到澄清的混合溶液。其中丙烯酸中羧基与乙二胺中氨基的摩尔比是1:2，因此最终得到的碳点溶液具有正电荷。若制备负电荷碳点溶液，则选择80mmol柠檬酸作为碳源，200mmol乙二胺作为氮源。

在进行步骤S12时，将步骤S11中得到的混合溶液放入微波炉中，在750W的功率下微波反应5min，得到红棕色泡沫状固体。该步骤中，750W功率下微波反应5min、8min、10min可分别得到不同粒径的碳点。

进行步骤S13，在红棕色泡沫状固体冷却至室温后，加入100ml去离子水中并超声分散溶解，然后以3000r/min的转速离心去除大颗粒，得到上清液。

进行步骤S14，将上清液用截留分子量为100的透析膜室温透析两天，以去除分子量小于100的小分子。最后用乙醇沉淀并清洗两次后放入真空干燥箱中干燥48h得到固体碳点。

进行步骤S15，将固体碳点重新分散在去离子水中，形成浓度为1mg/ml的碳点溶液。

本实施例能够制得聚合物/碳点/聚合物薄膜，当选用具有正电荷的碳点(C-QDs)溶液，带有负电荷的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液，则制得PSS/C-QDs/PSS薄膜；当选用具有负电荷的碳点(C-QDs)溶液，带有正电荷的聚乙烯亚胺(PEI)溶液，则制得PEI/C-QDs/PEI薄膜。上述制备过程不需要特殊的设备，且无需化学改性，在常温常压下即可实现制备，简单高效，并且层叠结构能够实现膜厚可控。

请参阅图8，图8是本发明碳点复合薄膜一实施例的结构示意图；本实施例碳点复合薄膜200包括间隔层叠设置的至少一聚合物薄膜21和至少一碳点薄膜22，聚合物薄膜21和碳点薄膜22依次形成于一基板300上。基板300表面带有第一极性电荷，聚合物薄膜带有第二极性电荷，碳点薄膜带有第一极性电荷，第一极性电荷和所述第二极性电荷的极性相反。

本实施例碳点复合薄膜200与上述制备方法制得的碳点复合薄膜相似，具体不再赘述。本实施例碳点复合薄膜200膜层致密平整，且基于静电作用，具有良好的附着性。

碳点能够在受到短波长光激发时发出荧光，并且可根据不同粒径的碳点可实现从蓝光到近红外光整个可见光的发射，因此碳点复合薄膜可以应用在显示领域。

具体请参阅图9，图9是本发明显示面板一实施例的结构示意图，本实施例显示面板400包括光源41、碳点复合薄膜42以及其他实现显示的组件。

碳点复合薄膜42的结构与上述碳点复合薄膜200的结构相同，或由上述制备方法制得，具体不再赘述。

本实施例显示面板400使用碳点复合薄膜已获得不同颜色的光，能够实现良好的显示效果。

显示面板可应用于不同终端中，具体参阅图10，图10是本发明显示装置一实施例的结构示意图，本实施例显示装置500包括壳体51和显示面板52。

显示面板52与上述显示面板400的结构相同，具体不再赘述。显示装置500可以是电视、播放器、手机、平板电脑、智能穿戴设备、数字音视频播放器、电子阅读器、手持游戏机、车载电子设备等

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳点复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供表面带有第一极性电荷的基板，具有第二极性电荷的聚合物溶液以及具有第一极性电荷的碳点溶液；所述第一极性电荷和所述第二极性电荷的极性相反；

对所述基板依次重复进行形成聚合物薄膜操作和形成碳点薄膜操作，以在所述基板表面形成由至少一聚合物薄膜和至少一碳点薄膜间隔层叠的碳点复合薄膜；

所述形成聚合物薄膜操作包括：

浸入所述聚合物溶液；

清洗干燥；

所述形成碳点薄膜操作包括：

浸入所述碳点溶液；

清洗干燥。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对所述基板依次重复进行形成聚合物薄膜操作和形成碳点薄膜操作之后包括：

干燥成型操作。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸入所述聚合物溶液包括：浸入所述聚合物溶液15min～25min；所述浸入所述碳点溶液包括：浸入所述碳点溶液15min～25min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述清洗干燥包括：

超纯水清洗；

惰性气体吹干。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述提供表面带有第一极性电荷的基板包括：

对石英基板或玻璃基板进行表面活化处理，使得所述石英基板或玻璃基板的表面带有第一极性电荷。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，提供具有第二极性电荷的聚合物溶液包括：

提供具有负电荷的聚苯乙烯磺酸钠溶液、聚丙烯酸溶液或透明质酸溶液；

或者，提供具有正电荷的壳聚糖溶液、聚赖氨酸溶液或聚乙烯亚胺溶液。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，提供具有第一极性电荷的碳点溶液包括：

使用微波法、电化学法、激光消融法、热解法或模板法制得具有第一极性电荷的碳点溶液。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，使用微波法制得具有第一极性电荷的碳点溶液包括：

将碳源和氮源溶解于水中，得到混合溶液；

对所述混合溶液进行微波反应，得到固体反应物；

将所述固体反应物溶解于水中，并获取上清液；

对所述上清液进行透析、沉淀、清洗、干燥，得到固体碳点；

将所述固体碳点分散于水中，形成碳点溶液；

其中，所述碳源中羧基与所述氮源中氨基的摩尔比大于1，所述碳点溶液具有负电荷；

或者，所述碳源中羧基与所述氮源中氨基的摩尔比小于1，所述碳点溶液具有正电荷。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述碳源包括维生素C、甘油、乙二醇、葡萄糖、蔗糖、柠檬酸或丙烯酸；所述氮源包括尿素、乙二胺、三乙胺或二乙醇胺。

10.一种碳点复合薄膜，其特征在于，所述碳点复合薄膜包括间隔层叠设置的至少一聚合物薄膜和至少一碳点薄膜；所述聚合物薄膜和所述碳点薄膜依次形成于一基板上；所述基板表面带有第一极性电荷，所述聚合物薄膜带有第二极性电荷，所述碳点薄膜带有第一极性电荷，所述第一极性电荷和所述第二极性电荷的极性相反。