專利名稱：在汽相中制備自組裝單分子膜的方法及汽相組裝儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納米技術領域，涉及汽相法自組裝單分子膜及其汽相組裝儀。
背景技術：
《高等學校化學學報》1999年20卷第1期97頁中提到，自組裝單分子膜(Self-Assembled Monolayers，簡稱SAMs)是活性分子通過化學鍵自發(fā)吸附在異相界面上而形成的有序超分子體系，其熱力學穩(wěn)定性好、有序度高、成膜后可從溶液中轉移出來。這種自組裝單分子膜在納米制造、分子器件、分子生物學、材料學、生物化學、微電子機械和磁記錄系統(tǒng)潤滑等領域都有著重要的應用潛力。《科學通報》1998年43卷第5期449頁指出，現有的單分子膜自組裝過程都是在溶液中完成的，其成膜原理是通過固-液界面間的化學吸附成膜。以烷基硫醇和硅烷這兩種最常見的自組裝分子為例在硫醇或硅烷的有機溶液中，浸入某種基片(如金、銀、銅、硅)，硫醇的反應基(巰基)或硅烷的反應基團(硅氧基)與基片表面物質發(fā)生連續(xù)的化學反應，在基片表面形成由化學鍵連接的緊密排列的二維有序的單分子硫醇膜或者硅烷膜。自組裝膜中的分子與分子之間有范德華力作用，從而形成致密、穩(wěn)定的單層膜。《美國化學會志》(J.Am.Chem.Soc，1998，120，2721-2732)提到的制備硫醇膜的方法是在干凈的容器中用溶劑配置一定濃度的硫醇溶液；然后將干凈新鮮的襯底放入此硫醇溶液中，浸泡24-48小時之后取出，用溶劑沖洗，氮氣吹干。顯然，這種在溶液中制備單分子自組裝膜的方法過程繁瑣首先，它需要配制溶液，而且對溶劑、容器潔凈度的要求高；襯底須在硫醇溶液中浸泡較長時間；自組裝完畢后還需要用溶劑沖洗；整個單分子膜自組裝制備過程需要較長時間。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種制備自組裝單分子膜的簡便、快捷方法—汽相法，以及這種方法所使用的儀器—汽相組裝儀。
本發(fā)明的汽相組裝儀，其特征在于由與帶有真空閥5的管道4兩端相連接的兩個真空室3和6構成，其中至少一個真空室6帶有用于抽真空的支管7，該支管7上設有真空閥8；真空室3和6上分別設有供取放樣品操作用的開口2和9及其密封蓋1和10。
本發(fā)明在汽相中制備自組裝單分子膜的方法，其特征在于將新鮮的基片放入與帶真空閥5的管道4兩端相連接的兩個真空室中之可抽真空的真空室6中，封閉真空閥5后抽真空；關閉抽真空用支管7上的真空閥8；移取待組裝分子的材料至組裝儀中之另一個真至室3中，封閉后，將連接兩個真空室的真空閥5打開10秒-600秒，關閉真空閥5，在真空室6中的基片上即獲得產物；所述基片是新鮮制備的金屬膜，包括Au、Ag、Pt、Cu，或者這幾種金屬的單晶或硅片；所述待組裝分子的材料包括硫醇和硅烷。
凡是可以通過化學鍵自發(fā)吸附在異相界面上而形成有序超分子體系的分子都可以通過本發(fā)明提供的方法制備其自組裝單分子膜。
與現有溶液中制備單分子自組裝膜的方法相比較，雖然基本原理大致相同通過待組裝分子的反應基團與基片表面物質發(fā)生連續(xù)的化學反應以及待組裝分子之間的范德華力作用，在基片表面自發(fā)形成由化學鍵連接的緊密排列的二維有序的單分子膜，但由于本發(fā)明采用了汽相法，使得現有溶液法制備單分子自組裝膜的很多繁瑣過程得以簡化首先，本發(fā)明汽相法不需要配制溶液；其次，整個制樣過程總共才需幾分鐘，不像現有溶液法需要在溶劑中浸泡24-48小時，所以大大縮短了成膜時間，從而也減少了單分子膜受到污染的機會；再次，在現有溶液法制備單分子自組裝膜的過程中，由于基片在溶液中的浸泡時間較長，在組裝好的單分子膜表面容易物理吸附一些多余的分子，因此在組裝完畢后需要用溶劑沖洗，而用汽相法制備單分子膜的過程只需要幾分鐘，膜表面不易吸附多余分子，在組裝完畢后不需要用溶劑沖洗，這樣在減少工序的同時又解決了溶劑易帶來的污染問題。本發(fā)明汽相法及其裝置使單分子膜的自組裝制備過程簡便、易行、干凈、快捷，大大縮短了成膜時間，減少了污染，可適應工業(yè)化大規(guī)模生產的需要。


圖1是本發(fā)明汽相組裝儀的基本結構示意圖；圖2是實施例中使用的一種具體汽相組裝儀的結構示意圖。
圖3、圖4分別是實施例中制備得到的六碳單硫醇在金膜表面的自組裝膜的掃描隧道顯微鏡(STM)掃描圖象，其中圖3的掃描范圍是100nm×100nm，圖4的掃描范圍是30nm×30nm；旁邊的標尺是高度標尺。
具體實施例方式實施例1(1)首先制作一個如圖1所示的密封性良好的汽相組裝儀它由兩個真空室3和6構成，其中一個真空室6接有一個可與抽真空系統(tǒng)連接的支管7，支管7上設有真空閥8；兩個真空室3和6分別與一個帶有真空閥5的管子4的兩端相連接；真空室3和6分別設有供取放樣品操作用的開口2和9及其密封蓋1和10。
(2)襯底的制備本實施例中所用的襯底，是在超高真空下，在云母表面蒸鍍上一層厚度約為100nm的高純度(99.999％)金所成新鮮制備的金膜；也可以采用包括Ag、Pt、Cu的高純度金屬，或者清潔的金屬單晶或硅片。
(3)制備自組裝單分子膜在實驗開始前，所有真空閥門都是關閉的。
打開可抽真空的真空室6的密封蓋10，將新鮮的襯底由開口9放入真空室6中，關閉密封蓋10；打開支管7上的閥門8，抽真空幾分鐘(比如3-5分鐘，真空無需太高)，然后關閉閥門8；打開另一個真空室3的密封蓋1，將盛有硫醇液滴的小容器由開口2放入真空室3中，關閉密封蓋1；打開連接兩個真空室3和6之間的真空閥5，使兩真空室連通30秒后關閉真空閥5；對于硫醇，此兩真空室連通的時間一般可控制在10-120秒，如果時間太短，會沒有足夠的時間讓分子膜長好，而時間太長則易導致污染。
從真空室6中把產物取出，用掃描隧道顯微鏡(STM)對產物做掃描。圖3、圖4分別是本實施例中制備得到的六碳單硫醇在金膜表面的自組裝膜的掃描隧道顯微鏡(STM)掃描圖象，其中圖3的掃描范圍是100nm×100nm，圖4的掃描范圍是30nm×30nm；旁邊的標尺是高度標尺。在圖中可以清楚地看到與《化學評論》1997年97卷第1119頁(Chem.Rev.1997，97，1117-1127)論文中提到的、以及所附掃描隧道顯微鏡照片所顯示的自組裝單分子硫醇膜所特有的相同的孔洞(pinholes)結構，同時在圖4中還可以看到硫醇的原子相。由此說明已在襯底金膜上組裝上了單分子硫醇膜。
實施例2為優(yōu)化實驗，本實施例采用了一種在圖1基礎上改進的如圖2所示的汽相組裝儀，特點是在其中的真空室3上增加了兩個分別裝有真空閥12、14的支管11和13，用于通氮氣，使真空室3內充滿氮氣保護，從而減少污染。
襯底的制備，與實施例1相同；
在實驗開始前，所有真空閥門都是關閉的；打開密封蓋10將新鮮的襯底由開口9放入真空室6中，關閉密封蓋10，打開支管7上的閥門8抽真空3-5分鐘，然后關閉此閥門8；打開密封蓋1，將盛有硅烷液滴的小容器由開口2放入真空室3中，關閉密封蓋1，在此真空室3的一個支管11上接通氮氣，隨后打開支管11和13上的真空閥12和14，通氮氣10分鐘后關閉真空閥12和14，使真空室3內充滿氮氣保護，從而減少污染。
打開連接兩個真空室3、6的真空閥5，使兩真空室連通600秒后關閉真空閥5。由于硅烷的飽和蒸汽壓比硫醇的飽和蒸汽壓低，所以本實施例中使兩真空室連通的組裝時間作了適當的增加。
最后，把真空室6中產物取出。采用與實施例1相同的方法進行測試，證明所得到的產物是自組裝單分子硅烷膜。
權利要求
1.一種汽相組裝儀，其特征在于由與帶有真空閥(5)的管道(4)兩端相連接的兩個真空室(3)和(6)構成，其中至少一個真空室(6)帶有用于抽真空的支管(7)，該支管(7)上設有真空閥(8)；真空室(3)和(6)上分別設有供取放樣品操作用的開口(2)和(9)及其密封蓋(1)和(10)。
2.如權利要求1所述的汽相組裝儀，特征在于其中的真空室(3)上增加了兩個分別裝有真空閥(12)、(14)的支管(11)和(13)。
3.一種在汽相中制備自組裝單分子膜的方法，其特征在于將新鮮的基片放入與帶真空閥(5)的管道(4)兩端相連接的兩個真空室中之可抽真空的真空室(6)中，封閉真空閥(5)后抽真空；關閉抽真空用支管(7)上的真空閥(8)；移取待組裝分子的材料至組裝儀中之另一個真空室(3)中，封閉后，將連接兩個真空室的真空閥(5)打開10秒-600秒，關閉真空閥(5)，在真空室(6)中的基片上即獲得產物；所述基片是新鮮制備的金屬膜，包括Au、Ag、Pt、Cu，或者這幾種金屬的單晶或硅片；所述待組裝分子的材料包括硫醇和硅烷。
全文摘要
本發(fā)明在汽相中制備自組裝單分子膜的方法及汽相組裝儀，特征是將新鮮的基片放入由帶真空閥的管道連接的兩個真空室構成的汽相組裝儀中之可抽真空的真空室中，封閉后抽真空；移取待組裝的物質至組裝儀中之另一個真空室中；將連接兩個真空室的真空閥打開一段時間后關閉閥門，即在基片上獲得產物；所述基片是新鮮制備的金屬膜，包括Au、Ag、Pt、Cu，或者這幾種金屬單晶或硅片；待組裝分子包括硫醇和硅烷。本發(fā)明汽相法及其裝置使單分子膜的自組裝制備過程簡便、易行、干凈、快捷，克服了現有在溶液中制備單分子自組裝膜的很多繁瑣過程，大大縮短了成膜時間，減少了污染；可適應工業(yè)化大規(guī)模生產的需要。
文檔編號C23C14/24GK1483851SQ02138320
公開日2004年3月24日 申請日期2002年9月20日 優(yōu)先權日2002年9月20日
發(fā)明者朱曉彬, 王克東, 周云申, 王兵, 侯建國 申請人:中國科學技術大學