NO178219B - Fremgangsmåte for fremstilling av et belegg av tettpakkede, kolloidale partikler - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av et tettpakket belegg av kolloidale partikler.

Belegg av nøyaktig ordnede kolloidale partikler på faste overflater er nyttige innenfor mange områder av vitenskap og teknologi. Tilfeldig ordnede kolloidale partikkelbelegg har vist seg å være nyttige for interferens- og anti-refleksjons-belegg (Iler, U.S. patent nr. 3,485,658) og for forladnings-lag i fusjonsmål (Peiffer og Deckmah, U.S. patent nr. 4,404,255). Ordnede rekker av kolloidale partikler belagt på overflater er nyttige enten som diffraksjonsgitter, et optisk lagringsmedium eller som et interferenslag. Monolagstykke rekker av både tilfeldige og ordnede kolloidale partikler er vist å være anvendelige som en litografisk maske for frem-stillingen av nøyaktig kontrollerte overflateteksturer (Deckman og Dunsmuir, U.S. patent nr. 4,407,695). Overflateteksturer som er litografisk fremstilt fra monolag av kolloidale partikler kan inneholde mikrostrukturer av uniform størrelse over store arealer, hvilket er vanskelig å fremstille med konvensjonelle litografiske teknikker. Anvendelser av overflateteksturer av uniform størrelse over store arealer innbefatter selektive solabsorpsjonsinnretninger, Craighead et al, U.S. patent nr. 4,284,689, optiske gittere og optisk forbedrede solceller (Deckman et al, U.S. patent nr. 4,497,974). Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av tettpakkede kolloidale partikkelbelegg som er frie for defekter.

Teknologien for belegging av et substrat med en spesiell type av en monolagstykk tilfeldig rekke av kolloidale partikler er velkjent. Slike belegg betegnes tilfeldige kolloidale belegg, og fremgangsmåter for fremstilling av disse er beskrevet av Iler i U.S. patent nr. 3,485,658, så vel som av Iler i Journal of Colloid and Interface Science 21, 569-594 (1966); Iler, Journal of the American Ceramic Society 47 (4), 194-198

(1964); Marshall og Kitchener, Journal of Colloid and Interface Science 22, 342-351 (1966); og Peiffer og Deckman, U.S. patent nr. 4,315,958. Disse beleggingsteknikkene avsetter en tilfeldig rekke av kolloidale partikler på substratet ved anvendelse av en elektrostatisk tiltrekning. Når de kolloidale partiklene tiltrekkes elektrostatisk til et substrat, festes de ved det punktet hvor de slår mot overflaten. I denne typen kolloidalt monolag er partikler tilfeldig anordnet og det vil finnes tomrom mellom de fleste partiklene. Eksempler på rom mellom partikler i tilfeldige kolloidale belegg er vist i figurene 1 og 2. Fig. 1 er et elektron-mikrobilde som viser ordningen av monodisperse, sfæriske latekspartikler i et tilfeldig kolloidalt belegg. Rom mellom partikler fremgår klart i mikrobildet. Fig. 2 er et elektron-mikrobilde som viser ordningen av 2 pm polystyrenlatekspartikler i et tilfeldig kolloidalt belegg. Rommene mellom partiklene i tilfeldige kolloidale belegg skyldes begrensninger av antallet partikler som kan diffundere til overflaten som skal belegges, og elektrostatisk festes slik at det dannes et monolag. Tilfeldige rekker fremstilles ved å neddykke et substrat i en sol under visse pH-betingelser, slik at overflaten av substratet og de kolloidale partiklene har ladning av motsatt fortegn. De kolloidale partiklene diffunderer gjennom solen til substratoverflaten hvor de motsatte ladningene vekselvirker, slik at partikkelen elektrostatisk bindes til substratet. Etter at overflaten som skal belegges har oppnådd en dekningstetthet av kolloidale partikler, som varierer avhengig av detaljene ved beleggingsprosessen, avskjermes den gjenværende ubelagte overflaten elektrostatisk ved nærværet av de nær hverandre fastholdte partiklene, slik at andre partikler som diffunderer mot overflaten avstøtes tilbake inn i solen.

Dannelsen av ordnede kolloidale partikkelrekker er beskrevet av Deckman og Dunsmuir, U.S. patent nr. 4,407,695 (1983). Ved denne prosessen dannes ordnede rekker av kolloidale partikler ved rotasjonsbelegging. Ordningen av partiklene finner sted fordi solen strømmer over substratet ved høye skjærhastig-heter, mens overskudd av beleggingsmaterialet frastøtes, slik at det dannes tettpakkede mikrokrystallinske rekker. Kolloidet må fukte substratet og rotasjonshastigheten må ' optimaliseres. Dersom rotasjonshastigheten er for lav, vil det dannes et flerlagsbelegg, og dersom den endelige rotasjonshastigheten er for høy, vil det opptre hulrom i monolagsbelegget. Andre faktorer, såsom reologi for solen, partikkelkonsentrasjon, overflatekjemi for substratet og forskjellig ladning mellom substrat og kolloid må optimaliseres for hver partikkelstørrelse. En systematisk fremgangsmåte for optimalisering av disse faktorene krever detaljert forståelse av dynamikken for beleggingsprosessen, denne forståelsen foreligger foreløpig ikke. For sfærer utenfor størrelsesområdet 0,3-1,0 pm kan optimalisering av beleggingsprosessen være meget vanskelig. Imperfeksjoner i partikkelordningen innbefatter punktdefekter, dislokasjoner og korngrenser. Det største antallet sfærer under 1 pm som observeres i en enkelt krystallitt er IO<5>, og typiske korn inneholder 50-1000 sfærer. Fig. 3 er et elektron-mikrobilde som viser den mikrokrystallinske ordningen av rotasjonsbelagte, monodisperse polystyrenlatekspartikler. Fig. 3 viser pakningsdefekter på en del av en 7.62 cm stor silisiumbrikke, som ble uniformt belagt med mikrokrystallinske rekker av sfærer på 0,497<+>0,006 pm. Belegget ble fremstilt ved å oversvømme en brikke, renset ved hjelp av overflateaktivt middel, med polystyrenlateks (Dow Diagnostics, kvalitet "1A27") inneholdende 15 vekt-# faste stoffer og rotere ved 3.400 opm inntil tørrhet.

Foreliggende oppfinnelse beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av en tredje klassse av kolloidale partikkelrekker med klart forskjellige egenskaper fra både ordnede og tilfeldige kolloidale belegg. Mest fremtredende blant disse forskjellene er kontroll, fjernelsen av tomrom mellom partikler som finnes i tilfeldige kolloidale belegg, og muligheten for å fremstille enten tilfeldige eller ordnede belegg ved anvendelse av en enkelt beleggingsteknikk.

Ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte for fremstilling av et tettpakket belegg av ikke-amfifile, kolloidale partikler på et substrat, kjennetegnet ved at den innbefatter: (a) dannelse av et monolag av nevnte ikke-amfifile partikler ved overflaten av en væske, hvor monolaget innbefatter bare ikke-amfifile partikler, (b) kompresjon av nevnte monolag av ikke-amfifile

partikler på overflaten av væsken,

(c) fjernelse av det komprimerte laget fra overflaten av

væsken over på et substrat, og

(d) tørking av det komprimerte laget på substratet.

Fig. 1 er et elektron-mikrobilde som viser ordningen av monodisperse, sfæriske latekspartikler i et tilfeldig kolloidalt belegg. Rom mellom partiklene fremgår klart på mikrobildet. Fig. 2 er et elektron-mikrobilde som viser ordningen av 2 pm polystyrenlatekspartikler i et tilfeldig kolloidalt belegg. Fig. 3 er et elektron-mikrobilde som viser den mikrokrystallinske ordningen av rotasjonsbelagte, monodisperse polystyrenlatekspartikler . Fig. 4 viser kompresjonen av et tilfeldig kolloidalt belegg etter som dette overføres fra et substrat på en flytende overflate belagt med et overflateaktivt middel. Et komprimert monolag dannes på grunn av virkningen av laget av overflateaktivt middel som en "stempelolje" som forhindrer spredning av de kolloidale partiklene på væskeoverflaten. Fig. 5 er et skjematisk diagram som viser overføringen av et komprimert, kolloidalt monolag fra en vaeskeoverflate til et substrat som trekkes ut av væsken, slik at det dannes et komprimert, kolloidalt monolag på substratoverflaten. Fig. 6 viser et væskelag som gjenstår fanget mellom substratet og det kolloidale monolaget når laget overføres i fig. 5. Endringen i belegget ettersom væsken fordamper etterlater som vist et komprimert, kolloidalt belegg. Fig. 7 viser et tilfeldig kolloidalt belegg som overføres fra et substrat til en vaeskeoverf late. De kolloidale partiklene er frie til å spredes mellom fysiske barrierer. Fig. 8 viser et fullstendig overført kolloidalt lag med substratet hvilende på bunnen av væskereservoaret. Substratet kan fjernes ved å trekke det utenfor barrierene før videre bearbeidelse. Fig. 9 viser et kolloidalt monolag ved væskeoverflaten som komprimeres ved bevegelse av en fysisk barriere, slik at det dannes et komprimert monolag. Fig. 10 viser et komprimert monolag som overføres til et substrat som trekkes opp fra under væskeoverflaten. Substratet kan innføres ved å senke det under væskeoverflaten utenfor de begrensende fysiske barrierene. Fig. 11 er et elektron-mikrobilde som viser typen av tettpakket, ordnet struktur som kan oppnås ved foreliggende oppf innelse. Fig. 12 er et elektron-mikrobilde som viser en annen type av tettpakket struktur som kan oppnås med foreliggende oppfinnelse. Fig. 13 er et elektron-mikrobilde av grenseflaten mellom et tilfeldig kolloidalt belegg og et komprimert monolag.

Foreliggende oppfinnelse omfatter en fremgangsmåte for fremstilling av et tettpakket belegg av kolloidale partikler på et substrat. Fremgangsmåten fjerner de mellomliggende rommene mellom de kolloidale partiklene.

Disse mellomliggende rommene fjernes ved å komprimere et tilfeldig kolloidalt lag på en væskeoverflate, slik at disse tomrommene presses ut. Denne utpressingsprosessen innbefatter følgende trinn: (1) Dannelse av et monolag av kolloidale partikler på en væskeoverflate. (2) Kompresjon av det tilfeldige kolloidale belegget på væskeoverflaten ved mekaniske eller kjemiske fremgangsmåter . (3) Fjernelse av det komprimerte monolagsbelegget fra væskeoverflaten på enten et opprinnelig substrat eller et nytt substrat. (4) Tørking av det komprimerte laget på substratet.

Trinn 1 kan oppnås ved langsomt å neddykke et substrat belagt med et monolagstykt kolloidalt belegg gjennom en væskegrense-flate, slik at det kolloidale laget løftes av substratet ved menisken og flyter på væskeoverflaten. En skjematisk fremstilling av denne prosessen er vist i fig. 4. Idet substratet passerer gjennom væskegrenseflaten 9, løftes kolloidale partikler av substratet 1 ved hjelp av vann-menisken, og fanges opp ved væskegrenseflaten 9. Trinn 1 kan også oppnås ved å spre ut over væskeoverflaten en dråpe inneholdende kolloidale partikler suspendert i en andre væske som er ublandbar med den første væsken. Den andre væsken må velges slik at den fordamper og etterlater et kolloidalt lag holdt tilbake ved væskegrenseflaten.

I den foretrukne utførelsen er væsken (10) som benyttes i trinn 1 vann. Mest effektiv oppfangelse av de kolloidale partiklene ved vann-luftgrenseflaten finner sted når partikkeloverflaten er gjort hydrofob. Kontaktvinkelen mellom vannet og den hydrofobe partikkeloverflaten tilveiebringer en uhyre effektiv felle for kolloidale partikler. Hydrofobe, kolloidale partikkeloverflater kan fremskaffes ved å behandle disse med silylerende midler, aminer som har hydrofobe ender og andre funksjonaliseringsmidler. F.eks. kan kolloidale partikler av ZK-5 zeolitter av størrelse ca. 1 pm gjøres hydrofobe ved å vaske dem med heksametyldisilasan (HMDS), eller med n-benzyltrimetyl-ammoniumhydroksyd 40$ i metanol. Overskudd av vaskemiddel kan lett fjernes ved en fysisk separasjon, såsom filtrering, sentrifugering eller dekant-ering. Behandlingen etterlater zeolittpartiklene funksjon-aliserte med et kjemisk bundet, molekylært monolag.

Det tilbakeholdte, kolloidale partikkelmonolaget adskiller seg i karakter betydelig fra Langmuid-Blodgett filmer (se f.eks. K.B. Blodgett og I. Langmuir, Phys. Rev. 51 (1937) 964; K. B. Blodgett U.S. patent nr. 2,220,860, 1940, G.G. Roberts, P.S. Vincett, W.A. Barlow, Phys. Technol. 12 (1981), 69. Langmuir-Blodgett filmer fremstilles med minst ett lag av amfifile molekyler. Oppfangelse av molekylene ved luft/vann-grenseflaten finner sted fordi de har både hydrofobe og hydrofile ender. De kolloidale partiklene beskrevet i forbindelse med foreliggende oppfinnelse er ikke amfifiler idet de ikke har både hydrofob og hydrofil karakter ved hverken motstående eller nabostilte sider av partiklene. Oppfanging av kolloidale partiklene ved vann-luftgrenseflaten finner sted på grunn av krefter såsom overflatespenning (se P. Pieranski, Phys. Rev. Lett. 45. (1980) 569 ). Denne opp-fangingen er fundamentalt forskjellig fra den for amfifile molekyler ved at den ikke bygger på hydrofobe og hydrofile ender som danner bro ved vann-grenseflaten.

Trinn 2 oppnås ved å redusere arealet som er tilgjengelig for monolagsbelegget på vaeskesubstratet ved hjelp av mekanisk innretning, dvs. en bevegelig barriere på væskeoverflaten, eller ved kjemiske fremgangsmåter, dvs. anvendelse av en "stempelolje" avsatt på væskeoverflaten. Molekylene av "stempeloljen" eller den mekaniske barrieren utøver en kraft på de kolloidale partiklene, derved komprimeres monolaget. Når en stempelolje benyttes forhindres spredning av monolaget på grunn av overflatespenningen av stempeloljelaget 7. Materialer som kan anvendes som stempeloljer innbefatter overflateaktive midler, såsom natriumlaurylsulfat og oljer. Overflatespenningen av stempeloljelaget må være tilstrekkelig til å komprimere de kolloidale partiklene, slik at de ikke flyter løst på væskeoverflaten 9. Når tilfeldige kolloidale lag komprimeres med et stempeloljelag viser den tilfeldige naturen av den opprinnelige filmen en tendens til å bestå. Kompresjon av monolaget ved væskeoverflaten kan oppnås ved enten å tilsette et stempeloljelag etter at partiklene er overført på væskeoverflaten 9, eller ved spredning av stempeloljelaget 7 før partiklene overføres til væskeoverflaten. Fig. 4 viser en skjematisk fremstilling av et tilfeldig kolloidalt belegg 3, som komprimeres 5 ved hjelp av stempeloljelag 7, som er spredd ut før belegget 3 løsnes fra substratet 1. I dette tilfellet utføres trinn 1 og 2 sam-tidig.

Kompresjon av et monolag 5 overført til en væskeoverflate kan også utføres med en mekanisk barriere. Figurene 7, 8, 9 og 10 illustrerer kompresjonen ved hjelp av en mekanisk barriere av et kolloidalt monolag oppfanget på en væskeoverflate. Det kolloidale monolaget må overføres til en væskeoverflate som ikke er belagt med stempelolje som vist i fig. 7. Et substrat 31 som inneholder et tilfeldig kolloidalt belegg 33 neddyppes mellom fysiske barrierer 37 og etterlater et monolag av kolloidale partikler 35, som er frie til å spre seg ut på væskeoverflaten 39. Substratet 31 kan fjernes, plasseres langs en av barrierene eller plasseres på bunnen av væskereservoaret 38, som vist i fig. 8. Et substrat på bunnen av væskereservoaret kan lett fjernes ved å trekke det rundt de fysiske barrierene. For å komprimere monolaget 35 beveges barrierene som vist i fig. 9. Det komprimerte laget overføres til et fast substrat 41 som trekkes opp fra under væskeoverf laten som vist i fig. 10. Ved å kontrollere hastigheten for kompresjon med den mekaniske barrieren 37, er en lengere tid tilgjengelig for organisering av polymersfærene og et enda mer ordnet lag kan oppnås.

Slike kompresjonsfremgangsmåter har tidligere vært anvendt for å fremstille lag av molekyler av overflateaktivt middel for Langmuir-Blodgett belegg ( se f.eks., K.B. Blodgett og I. Langmuir, Phys. Rev. 51 (1937) 964; K.B. Blodgett, U.S. patent nr. 2,220,860, 1940; G.G. Roberts, P.S. Vincett, W.A. Barlow, Phys. Technol. 12 (1981) 69). Deres anvendelse for kompresjon av massive, molekylære aggregater (såsom kolloidale partikler) til en stabil film er uten presendens.

Når stempeloljer anvendes for å komprimere monomolekylære Langmuir-Blodgett lag er stempeloljene av samme størrelse som molekylene som komprimeres. Videre komprimeres de molekylære speciene på en slik måte at bare hull av molekylær størrelse eksisterer mellom komprimerte molekyler. For kompresjonen av kolloider kan molekylene i stempelol jen være så små som én titusendedel av diameteren av den kolloidale partikkelen. Selv om videre partiklene kan berøre hverandre ved diametrene kan bunndelen av partiklene i kontakt med væsken befinne seg i en så stor avstand som 10.000Å fra hverandre.

Trinn 3 utføres ved å plassere det opprinnelige substratet eller et nytt substrat i væskefasen under overflaten, og trekke substratet ut på en slik måte at det komprimerte laget overføres fra væskegrenseflaten til substratoverflaten, en skjematisk fremstilling av dette er vist i figurene 5 og 10. Fig. 5 er en skjematisk skisse som viser overføringen av et komprimert, kolloidalt monolag 5 fra en væskeoverflate 9 på et substrat 11, som fjernes fra væsken 10, slik at det dannes et komprimert, kolloidalt monolag på substratoverflaten 13. Fig. 10 viser et komprimert monolag 36, som overføres til et substrat 41, som fjernes fra under væskeoverflaten 39. Substratet 41 kan innføres ved å senke det under væskeoverflaten utenfor de begrensende fysiske barrierene 37.

Trinn 4 oppnås ved å la restvannet som er fanget mellom substratet (17) og det komprimerte monolaget (13) fordampe. Det komprimerte tilfeldige laget befinner seg nå i intim kontakt med substratet (15). En skjematisk fremstilling av dette trinnet er vist i fig. 6. Fig. 6 viser at et flytende lag 17 forblir fanget mellom substratet 11 og det kolloidale monolaget 13 når laget overføres i fig. 5. Endringen i belegget ettersom væsken 17 fordamper etterlater et komprimert, kolloidalt belegg 15, som vist.

Monolag dannet ved denne fremgangsmåten kan vise en lokalt tettpakket struktur. Figurene 11 og 12 er elektron-mikron-bilder som viser typen av tettpakket tilfeldig struktur som oppnås ved anvendelse av foreliggende fremgangsmåte. Vakanser som er store nok til oppta enkle, kolloidale partikler er generelt fraværende i beleggene vist i figurene 11 og 12. Forskjeller i naturen av den lokale ordningen i figurene 11 og 12 skyldes den måten hvorpå monolaget ble komprimert. På grunn av den tilfeldige strukturen av det innledende kolloidale monolaget før kompresjon finnes fremdeles visse vakanser (vanligvis forbundet med støv eller andre forurensninger) til stede i den komprimerte filmen; imidlertid kan overflate-dekning > 98% av tilgjengelige overflateseter oppnås rutine-messig. I tilfeldige kolloidale belegg oppstår et stort antall vakanser (se fig. 1) fra begrensninger når det gjelder antallet partikler som kan diffundere og festes til overflaten som skal belegges. Etter at overflaten som skal belegges har oppnådd en gitt dekningstetthet av kolloidale partikler, som barrierer avhengig av detaljene for den kolloidale beleggingsprosessen, er den gjenværende ubelagte overflaten elektrostatisk avskjermet ved nærværet av de nabostilte festede partiklene, slik at andre partikler som diffunderer til overflaten avstøtes tilbake inn i solen. Disse vakansene elimineres i belegg dannet fra monolag komprimert på overflaten av en væske.

Figurene 11 og 12 viser noen av typene av tettpakket struktur som kan oppnås ved anvendelse av foreliggende oppfinnelse. Disse strukturene varierer fra tilfeldig tett pakning til veldefinert, periodisk lokal ordning. Vakanser som er store nok til å oppta enkle, kolloidale partikler er generelt fraværende i beleggene. Foreliggende oppfinnelse har følgende ytterligere fordeler:

(1) det kolloidale partikkellaget på væskeoverflaten kan mønstres, slik at det oppnås en nøyaktig formet avstøtning på det endelige substratet; (2) multilag kan bygges opp på et substrat ved trinnvis å gjenta trinnene 1-4; (3) substratet må ikke roteres med høy hastighet for å gi et tettpakket monolag; (4) substrater som ikke lett kan belegges ved kolloidale prosesser, såsom materialer som ikke fuktes av vann, kan belegges med tettpakket, kolloid ved foreliggende f r emgang små te; (5) arealet som skal belegges kan være meget stort, og er begrenset bare av utstyrstørrelsen; (6) det kravet at kolloidet er monodisperst kan lett unngås. Tettpakkede belegg av kolloidpartikler av

betydelig polydispersitet kan oppnås ved denne f remgangsmåten.

Ifølge oppfinnelsen dannes belegg bestående av monolag av kolloidale partikler ved å suspendere kolloidale partikler ved overflaten av en væske. Monolag av kolloidale partikler kan stabilt oppfanges ved væskeoverflaten og når de komprimeres på væskeoverflatefilmen, anta elastiske egenskaper på tilsvarende måte som tynne, faste polymerfilmer. På grunn av stabiliteten av det kolloidale partikkellaget ved væskeoverflaten vil partikler generelt ikke innføres i bulkvæsken. For å unngå å innføre defekter i den endelige filmen er det foretrukket at konsentrasjonen av partikler i bulkvæsken er mindre enn 1% (volumprosent). I en mer foretrukket utførelse er partikkelkonsentrasjonen i bulken av væsken mindre enn

IO-<3> (volumprosent).

Kolloidale partikler kan grupperes i mønstere på væskeoverflaten ved enten å overføre et formønstret, tilfeldig kolloidalt belegg på væskeoverflaten, eller ved å skjære fra hverandre et komprimert, kolloidalt lag på væskeroverflaten.

For å formønstre et tilfelig kolloidalt belegg avsettes et mønster som antar en overflateladning motsatt kolloidet. Substratet hvorpå mønsteret belegges må anta en overflateladning av samme fortegn som kolloidet. Den tidligere nevnte overflateladningen skapes av overflatekjemien for kolloidet, og for kolloider suspendert i vann, skyldes den hydroksyl-ering-hydrogeneringslikevekt. (Se Iler, U.S. patent nr. 3,485,658 så vel som Iler, J. Colloidal and Interface Science, 21, 569-594 (1966)). Mønstring av den avsatte filmen for å tiltrekke partiklene kan utføres ved å anvende litografiske bearbeidelsesteknikker som de som er beskrevet i "Thin Film Processes" redigert av J.L. Vossen og W. Kern (Academic Press, New York, 1978).

For de fleste anvendelser er de mest hensiktsmessige kol-loidalpartiklene polymere sfærer, f.eks. polystyren, poly-divinyl-benzen og polyvinyl-toluen. Slike sfærer fremstilles vanligvis ved enten suspensjons- eller emulsjonspolymeri-sering, og kan hensiktsmessig fremstilles i størrelser varierende fra 200Å til 25 pm. Belegg av disse partiklene kan fremstilles på substrat av en hvilken som helst størrelse som kan neddykkes i væsken. Flerlagsbelegg av disse partiklene kan dannes ved trinnvis å gjenta de fire grunnleggende trinnene innbefattet i beleggingsprosessen: (1) overføring av et monolag av kolloidale partikler på en væskeoverflate, (2) kompresjon av monolaget, (3) overføring av det komprimerte laget på et substrat og (4) tørking av det komprimerte laget på substratet.

Utførelsen av oppfinnelsen illustreres i detalj i de følgende eksemplene.

EKSEMPEL 1

Et komprimert lag dannes ved en vann-luftgrenseflate fra et tilfeldig kolloidalt belegg av 0,5 pm sfæriske polystyren-partikler. Det tilfeldige kolloidale belegget dannes på et flatt glass-substrat ved anvendelse av en fremgangsmåte beskrevet av Iler i U.S. patent nr. 3,485,658. Nærmere bestemt neddykkes det flate glass-substratet først i en aluminiumoksydsol (partikkelstørrelse 100Å) ved pH 5, 1% faste stoffer, renses i destillert, deionisert vann og tørkes i Ng. Det aluminiumoksyd-belagte glasset neddykkes deretter i et polymerkolloid inneholdende sfæriske partikler i området 10 til 30 vekt-# ved pH=5. Substratet renses deretter i destillert, deionisert vann og tørkes i Ng. Denne prosessen resulterer i et tett, tilfeldig belegg av sfæriske polymer-partikler.

For å overføre det tilfeldige kolloidale belegget fra glass-substratet til vannoverflaten, føres substratet langsomt (1 cm/sek.) på tvers av vannoverflaten. Vinkelen mellom substratet og vannoverflaten var ca. 30° . For effektivt å overføre laget er det foretrukket at det kolloidale laget dyppes kort etter at det fremstilles, og i dette tilfellet ble det tilfeldige kolloidale belegget dyppet 30 minutter etter at det ble dannet. På grunn av forurensninger i det tilfeldige kolloidale belegget vil monolaget overført til vannoverflaten ofte vise en tendens til å komprimeres. Denne kompresjonen skyldes en "stempelolje"-virkning fra for-urensningene. For fullt ut å komprimere laget ble en dråpe av overflateaktivt middel (natriumlaurylsulfat) tilsatt til vannoverflaten etter at det tilfeldige kolloidale belegget var flytt av fra substratet. Det komprimerte laget overføres til en vann-uoppløselig glassoverflate ved å trekke denne overflaten fra under vanngrenseflaten som vist skjematisk i fig. 5. Et lag av vann forblir fanget mellom det komprimerte monolaget og substratoverflaten. Dette laget fjernes ved å la vannet fordampe i luft, slik at det komprimerte monolaget etterlates i kontakt med substratoverflaten. Belegget kan deretter benyttes direkte eller som et templat for ytterligere belegging eller etsingsprosesser som vakuumfor-dampning, eller plasma- eller ionestrålebelegging.

EKSEMPEL 2

Et tilfeldig kolloidalt belegg av sfæriske polystyren-partikler på 0,5 pm ble dannet på et glass-substrat ved anvendelse av fremgangsmåten beskrevet i eksempel 1. Belegget ble overført på en vannoverflate som var forbelagt med et stempelol j elag, som vist skjematisk i fig. 4. Det valgte stempeloljelaget besto av natriumlaurylsulfat.

EKSEMPEL 3

Et substrat vist i elektron-mikrobildet i fig. 13 hvor halvparten av overflaten ble belagt med et tilfeldig kolloidalt belegg og halvparten med et komprimert monolag, ble fremstilt ved:

(1) Å danne et tilfeldig kolloidalt belegg av polystyren-partikler på 0,5 pm over hele glass-substratoverflaten ved anvendelse av fremgangsmåten beskrevet i eksempel 1. (2) Forbelegging av en vannoverflate med natriumlaurylsulfat som virker som en stempelolje. (3) Neddykking av halvparten av substratet gjennom vanngrenseflaten som vist i fig. 4. (4) Substratet trekkes tilbake fra vannet og inneholder det komprimerte monolaget på overflaten. (5) Tørking av det komprimerte monolaget, slik at det dannes et komprimert belegg på halvparten av substratet som har vært neddykket.

Fig. 13 er et elektron-mikrobilde som viser grenseflaten mellom det tilfeldige kolloidale og det komprimerte belegget. Det tilfeldige kolloidale belegget kommer til syne som individuelle partikler på den venstre halvdelen av bildet, mens det komprimerte laget kommer til syne som en fast matte av partikler på høyre del. Fordi tomrom mellom partikler er presset ut er det vanskelig å oppløse individuelle partikler i det komprimerte belegget.

EKSEMPEL 4

Et belegg som var to monolag tykt ble fremstilt ved trinnvis å gjenta fremgangsmåten fra eksempel 1. Straks etter at det første komprimerte monolagsbelegget var dannet, ble substratet varmebehandlet for å forbedre adhesjonen mellom polymerpartiklene og glass-substratet. Varmebehandlingen ble utført i 15 minutter ved 50°C, hvilket er en temperatur under det punktet hvor partiklene smelter og flyter. Trinnvise monolag ble bygget oppved å gjenta trinnene fra eksempel 1.

EKSEMPEL 5

Et komprimert kolloidalt belegg ble fremstilt fra et monolag som ble komprimert med en fysisk barriere. Det fysisk komprimerte laget var dannet ved: (1) Utspredning av et monolag av sfæriske polystyren-partikler på 2 pm på en vannoverflate fra en suspensjon av polystyrensfærer og heksan. Heksahet er uoppløselig i vann og flyter og sprer seg på overflaten når en dråpe plasseres ved luft-vanngrenseflaten. Polystyrensfærer plassert i heksandråpen vil ikke i betydlig grad oppløses, og vil bæres over vannoverflaten sammen med heksanet. Når heksanet fordamper etterlates et monolag av polystyrensfærer på vannoverflaten»

En heksan-basert sol ble fremstilt ved sentrifugering av en vandig sol av polystyren, avdekantering av vannet og resuspendering av partiklene i heksan. Partikkelkonsentrasjon i heksansolen var ca. 156 faste stoffer. I løpet av 5 minutter fra heksansolfrem-stillingen ble en dråpe utspredd på vannoverflaten. Et dispergert monolag ble dannet på vannoverflaten etter at heksanet fordampet. (2) Det dispergerte laget ble komprimert med to teflon-staver som virket som en fysisk barriere som puffet laget sammen på en måte svarende til det som er vist i fig. 9. (3) Det komprimerte laget ble overført til et glass-substrat ved anvendelse av teknikken vist i fig. 10. (4) Belegget på glass-substratet ble fordampet og etterlot et godt vedhengende belegg på glasset.

EKSEMPEL 6

Et monolag av zeolitt type ZK-5 ble fremstilt ved anvendelse av følgende teknikk: (1) Ca. 0,3 g av tørre ZK-5 zeolittpartikler ble blandet med 20 cm<5> pentan. Til denne blandingen ble det tilsatt ca. 0,5 cm<3> heksametyldisilasan (HMDS). Denne blandingen ble deretter omrørt ved hjelp av ultralyd i 30 sekunder. (2) En petriskål ble fylt med destillert vann og blandingen fremstilt i trinn 1 ble tilsatt dråpevis til overflaten. Pentan og HMDS fikk fordampe, og etterlot et monolag av ZK-5 zeolitt-krystaller fanget ved luft-vanngrenseflaten. (3) Et glåss-substrat hvorpå dette monolaget skulle overføres ble renset med ikke-ionisk rensemiddel ("Triton X-100") og renset med destillert vann. (4) Zeolitt-monolaget på vannoverflaten ble komprimert med en fortynnet (200 ppm) vandig oppløsning av ikke-ionisk overflateaktivt middel ("Triton X-100"). Oppløsningen av overflateaktivt middel ble påført ved å plassere en dråpe ved kanten av petriskålen. Kompresjon av monolaget finner sted så snart som dråpen kommer i kontakt med vannoverflaten. (5) Det komprimerte laget ble løftet fra luft-vanngrenseflaten på glassplaten preparert i trinn 3. Overskudd av vann ble tørket fra platen ved anvendelse av en varmelampe, slik at det oppsto en film av vedhengende zeolitt-monolag.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av et tettpakket belegg av ikke-amfifile, kolloidale partikler på et substrat, karakterisert ved at den innbefatter: (a) dannelse av et monolag av nevnte ikke-amfifile partikler ved overflaten av en væske, hvor monolaget innbefatter bare ikke-amfifile partikler, (b) kompresjon av nevnte monolag av ikke-amfifile partikler på overflaten av væsken, (c) fjernelse av det komprimerte laget fra overflaten av væsken over på et substrat, og (d) tørking av det komprimerte laget på substratet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at dannelsestrinnet innbefatter neddykking av et tilfeldig kolloidalt lag som inneholder hulrom i den nevnte væsken, slik at laget blir oppfanget ved overflaten av væsken.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at dannelsestrinnet innbefatter plassering av en andre væske innbefattende en suspensjon av partikler på den første væsken, hvor den nevnte andre væsken er ublandbar med den første væsken, hvor nevnte andre væske og suspensjon spres ut over overflaten av den første væsken.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kompresjonstrinnet innbefatter bevegelse av en mekanisk barriere mot laget av partikler for å fjerne mellomliggende rom mellom partiklene.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kompresjonstrinnet innbefatter avsetning av en stempelolje på overflaten av den nevnte væsken, slik at stempeloljen sprer seg ut over overflaten og komprimerer mellomliggende rom mellom partikler.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at dannelsestrinnet og kompresjonstrinnet utgjør et enkelt trinn.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det ved kompres jonstrinnet produseres et på forhånd bestemt mønster av nevnte monolag av partikler.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at de kolloidale partiklene er monodisperse.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at væsken er vann.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at størrelsen av de kolloidale partiklene er mellom 0,1 og 5 pm.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at de kolloidale partiklene er polymere.