CN109232933A - 一种高分子纳米碗结构的制备方法 - Google Patents

一种高分子纳米碗结构的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高分子纳米碗结构的制备方法，通过混合液的制备、硅片的处理、薄膜的制备、薄膜的干燥、去润湿、刻蚀等步骤，以聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯混合薄膜在丁酮/丙酮/水（体积比为7/3/15）的混合溶剂中去润湿来制备粒径均匀分布的高分子纳米碗结构。本发明利用非传统的去润湿技术‑溶剂中高分子混合薄膜去润湿法，通过溶剂对去润湿后的高分子薄膜进行选择性刻蚀可对大面积高分子薄膜进行刻蚀，使得制备的纳米碗结构完整性好、分布均一。该方法具有面积大、重复性好、微结构完整、制备周期短、成本低、操作简单等优点。

Description

一种高分子纳米碗结构的制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种高分子纳米碗结构的制备方法。
背景技术
表面和界面形貌与结构的构筑对材料性能的改善有着非常重要的意义。近年来，随着纳米技术的快速发展，高分子材料表面与界面结构构筑的研究也有了突飞猛进。高分子各向同性纳米结构，例如纳米球，已有很多简单方法能成功制备。尽管一些纳米加工方法如纳米压印以及电子或离子束光刻技术,已经成功制备出高分子三维复杂结构，例如纳米碗等。但是，纳米压印技术存在着若压印过程填充度不完整将会导致转移图形保真度低，并且由于掩膜版与转移介质之间存在粘附力若应力过大微结构容易出现断裂和不完整的现象，电子或离子束光刻技术其设备昂贵，加工耗时，另外在三维结构及大面积(几十微米到几百微米量级)图形结构加工上难以实现，这些缺点限制了这些方法的广泛应用。高分子薄膜的去润湿作为一种构建具有微米/纳米尺寸图案表面的简单、高效、低成本的技术，在近些年有着快速的发展，特别是多层薄膜与溶剂诱导过程。这使得它在制备高分子三维纳米碗结构方面有着巨大的发展潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面积大，重复性好，成本低，操作简单的高分子纳米碗结构的制备方法。
本发明的一种高分子纳米碗结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）混合液的制备：将摩尔质量为50 kg/mol、分散度为1.1的聚甲基丙烯酸甲酯粉末与摩尔质量为48 kg/mol、分散度为1.02的聚苯乙烯粉末按1:9；2:8；3:7和4:6的质量比混合；按每1ml甲苯加1-8mg混合粉末，制得1-8mg/ml混合高分子甲苯溶液；
（2）硅片的处理：将圆形单晶硅片切割成 1×1cm 大小的方形硅片，将切割后的硅片置于由 80% H2SO4、30% H2O2 和去离子水按 100:35:15 的体积比配成的清洗液中70-90˚C煮28-32分钟，然后用去离子水冲洗干净，放入塑料烧杯中，用氢氟酸液除去硅片上的氧化层，再用去离子水冲洗干净后用气体吹干，备用；
（3）薄膜的制备：将处理后的硅片置于台式匀胶机上，滴配置好的混合高分子甲苯溶液在硅片上，以4000 rpm转速，旋涂薄膜样品；
（4）薄膜的干燥：将薄膜样品置于真空干燥箱中，在真空中保持12-14小时，除去残留的有机溶剂，然后用椭偏仪测定薄膜厚度；
（5）去润湿：将高分子混合薄膜放入体积比为7/3/15的丁酮、丙酮、水的混合溶剂中退火10-15min；
（6）刻蚀：把去润湿后的高分子薄膜泡在环己烷中刻蚀掉聚苯乙烯，即得分布均匀的高分子纳米碗结构。
上述的一种高分子纳米碗结构的制备方法，其中步骤（2）所述的氢氟酸液是由20%氢氟酸和去离子水按1:1的比例制备而成。
上述的一种高分子纳米碗结构的制备方法，其中步骤（2）所述的气体为高纯氮气。
上述的一种高分子纳米碗结构的制备方法，其中步骤（4）所述的薄膜厚度为8nm。
本发明与现有技术相比，具有明显有益效果，从以上技术方案可知:本发明利用非传统的去润湿技术-溶剂中高分子混合薄膜去润湿法，通过溶剂对去润湿后的高分子薄膜进行选择性刻蚀可对大面积高分子薄膜进行刻蚀，使得制备的纳米碗结构完整性好、分布均一。该制备高分子纳米碗结构的方法具有面积大、重复性好、微结构完整、制备周期短、成本低、操作简单等优点。
附图说明
图1 为本发明工艺流程图；
图2为不同配比下高分子纳米碗结构扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1：
一种高分子纳米碗结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）混合液的制备：将摩尔质量为50 kg/mol、分散度为1.1的聚甲基丙烯酸甲酯粉末与摩尔质量为48 kg/mol、分散度为1.02的聚苯乙烯粉末按1:9的质量比混合；按每1ml甲苯加1mg混合粉末，制得1mg/ml混合高分子甲苯溶液；
（2）硅片的处理：将圆形单晶硅片切割成 1×1cm 大小的方形硅片，将切割后的硅片置于由 80% H2SO4、30% H2O2 和去离子水按 100:35:15 的体积比配成的清洗液中70˚C煮32分钟，然后用去离子水冲洗干净，放入塑料烧杯中，用由20%氢氟酸和去离子水按1:1的比例制备而成的氢氟酸液除去硅片上的氧化层，再用去离子水冲洗干净后用高纯氮气吹干，备用；
（3）薄膜的制备：将处理后的硅片置于台式匀胶机上，滴配置好的混合高分子甲苯溶液在硅片上，以4000 rpm转速，旋涂薄膜样品；
（4）薄膜的干燥：将薄膜样品置于真空干燥箱中，在真空中保持12小时，除去残留的有机溶剂，然后用椭偏仪测定薄膜厚度；
（5）去润湿：将高分子混合薄膜放入体积比为7/3/15的丁酮、丙酮、水的混合溶剂中退火15min；
（6）刻蚀：把去润湿后的高分子薄膜泡在环己烷中刻蚀掉聚苯乙烯，即得分布均匀的高分子纳米碗结构。
实施例2：
一种高分子纳米碗结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）混合液的制备：将摩尔质量为50 kg/mol、分散度为1.1的聚甲基丙烯酸甲酯粉末与摩尔质量为48 kg/mol、分散度为1.02的聚苯乙烯粉末按2:8的质量比混合；按每1ml甲苯加3mg混合粉末，制得3mg/ml混合高分子甲苯溶液；
（2）硅片的处理：将圆形单晶硅片切割成 1×1cm 大小的方形硅片，将切割后的硅片置于由 80% H2SO4、30% H2O2 和去离子水按 100:35:15 的体积比配成的清洗液中80˚C煮30分钟，然后用去离子水冲洗干净，放入塑料烧杯中，用由20%氢氟酸和去离子水按1:1的比例制备而成的氢氟酸液除去硅片上的氧化层，再用去离子水冲洗干净后用高纯氮气吹干，备用；
（3）薄膜的制备：将处理后的硅片置于台式匀胶机上，滴配置好的混合高分子甲苯溶液在硅片上，以4000 rpm转速，旋涂薄膜样品；
（4）薄膜的干燥：将薄膜样品置于真空干燥箱中，在真空中保持13小时，除去残留的有机溶剂，然后用椭偏仪测定薄膜厚度；
（5）去润湿：将高分子混合薄膜放入体积比为7/3/15的丁酮、丙酮、水的混合溶剂中退火12min；
（6）刻蚀：把去润湿后的高分子薄膜泡在环己烷中刻蚀掉聚苯乙烯，即得分布均匀的高分子纳米碗结构。
实施例3：
一种高分子纳米碗结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）混合液的制备：将摩尔质量为50 kg/mol、分散度为1.1的聚甲基丙烯酸甲酯粉末与摩尔质量为48 kg/mol、分散度为1.02的聚苯乙烯粉末按3:7的质量比混合；按每1ml甲苯加5mg混合粉末，制得5mg/ml混合高分子甲苯溶液；
（2）硅片的处理：将圆形单晶硅片切割成 1×1cm 大小的方形硅片，将切割后的硅片置于由 80% H2SO4、30% H2O2 和去离子水按 100:35:15 的体积比配成的清洗液中90˚C煮28分钟，然后用去离子水冲洗干净，放入塑料烧杯中，用由20%氢氟酸和去离子水按1:1的比例制备而成的氢氟酸液除去硅片上的氧化层，再用去离子水冲洗干净后用高纯氮气吹干，备用；
（3）薄膜的制备：将处理后的硅片置于台式匀胶机上，滴配置好的混合高分子甲苯溶液在硅片上，以4000 rpm转速，旋涂薄膜样品；
（4）薄膜的干燥：将薄膜样品置于真空干燥箱中，在真空中保持12-14小时，除去残留的有机溶剂，然后用椭偏仪测定薄膜厚度；
（5）去润湿：将高分子混合薄膜放入体积比为7/3/15的丁酮、丙酮、水的混合溶剂中退火10min；
（6）刻蚀：把去润湿后的高分子薄膜泡在环己烷中刻蚀掉聚苯乙烯，即得分布均匀的高分子纳米碗结构。
实施例4：
一种高分子纳米碗结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）混合液的制备：将摩尔质量为50 kg/mol、分散度为1.1的聚甲基丙烯酸甲酯粉末与摩尔质量为48 kg/mol、分散度为1.02的聚苯乙烯粉末按4:6的质量比混合；按每1ml甲苯加8mg混合粉末，制得8mg/ml混合高分子甲苯溶液；
（2）硅片的处理：将圆形单晶硅片切割成 1×1cm 大小的方形硅片，将切割后的硅片置于由 80% H2SO4、30% H2O2 和去离子水按 100:35:15 的体积比配成的清洗液中70˚C煮32分钟，然后用去离子水冲洗干净，放入塑料烧杯中，用由20%氢氟酸和去离子水按1:1的比例制备而成的氢氟酸液除去硅片上的氧化层，再用去离子水冲洗干净后用高纯氮气吹干，备用；
（3）薄膜的制备：将处理后的硅片置于台式匀胶机上，滴配置好的混合高分子甲苯溶液在硅片上，以4000 rpm转速，旋涂薄膜样品；
（4）薄膜的干燥：将薄膜样品置于真空干燥箱中，在真空中保持12-14小时，除去残留的有机溶剂，然后用椭偏仪测定薄膜厚度；
（5）去润湿：将高分子混合薄膜放入体积比为7/3/15的丁酮、丙酮、水的混合溶剂中退火15min；
（6）刻蚀：把去润湿后的高分子薄膜泡在环己烷中刻蚀掉聚苯乙烯，即得分布均匀的高分子纳米碗结构。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种高分子纳米碗结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）混合液的制备：将摩尔质量为50 kg/mol、分散度为1.1的聚甲基丙烯酸甲酯粉末与摩尔质量为48 kg/mol、分散度为1.02的聚苯乙烯粉末按1:9；2:8；3:7和4:6的质量比混合；按每1ml甲苯加1-8mg混合粉末，制得1-8mg/ml混合高分子甲苯溶液；
（2）硅片的处理：将圆形单晶硅片切割成 1×1cm 大小的方形硅片，将切割后的硅片置于由 80% H2SO4、30% H2O2 和去离子水按 100:35:15 的体积比配成的清洗液中70-90˚C煮28-32分钟，然后用去离子水冲洗干净，放入塑料烧杯中，用氢氟酸液除去硅片上的氧化层，再用去离子水冲洗干净后用气体吹干，备用；
（3）薄膜的制备：将处理后的硅片置于台式匀胶机上，滴配置好的混合高分子甲苯溶液在硅片上，以4000 rpm转速，旋涂薄膜样品；
（4）薄膜的干燥：将薄膜样品置于真空干燥箱中，在真空中保持12-14小时，除去残留的有机溶剂，然后用椭偏仪测定薄膜厚度；
（5）去润湿：将高分子混合薄膜放入体积比为7/3/15的丁酮、丙酮、水的混合溶剂中退火10-15min；
（6）刻蚀：把去润湿后的高分子薄膜泡在环己烷中刻蚀掉聚苯乙烯，即得分布均匀的高分子纳米碗结构。
2.如权利要求1所述的一种高分子纳米碗结构的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的氢氟酸液是由20%氢氟酸和去离子水按1:1的比例制备而成。
3.如权利要求1所述的一种高分子纳米碗结构的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的气体为高纯氮气。
4.如权利要求1所述的一种高分子纳米碗结构的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的薄膜厚度为8nm。
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