專利名稱：二元有序膠體晶體模板及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶體模板及制備方法和用途，尤其是一種二元有序膠體晶體模板及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
膠體晶體是指由膠體球按照一定方式組裝排列的二維或三維有序結(jié)構(gòu)。由于其在光子晶體、光電器件、生物芯片傳感等方面潛在的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到了人們的廣泛關(guān)注。迄今為止，關(guān)于膠體晶體自組裝的研究工作已有了大量的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，可是，其所使用的膠體球均為單一尺寸，因而所形成的膠體晶體也就僅限于幾種簡(jiǎn)單的類型，如面心立方、 六角密排、體心立方。這也就使得膠體晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)和在實(shí)際中的應(yīng)用受到了很大的限制。人們?yōu)榱颂剿骱屯卣鼓z體晶體的應(yīng)用范圍，作了一些嘗試和努力，如在2008年11 月出版的《物理學(xué)報(bào)》第57卷第11期雜志中“二元體系膠體晶體性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究” 一文曾公開了一種二元膠體晶體及其制備方法。該文研究了不同大小的聚苯乙烯粒子的數(shù)密度比對(duì)膠體晶體的形成時(shí)間，平均最近鄰粒子之間的距離和晶體結(jié)構(gòu)的影響。其中，二元膠體晶體的粒子直徑分別為94nm和141nm，兩種粒子的數(shù)密度比為0 5 0 1 ；制備方法為乳皂聚合法，反應(yīng)中使用對(duì)苯乙烯磺酸鈉作為一種共聚單體加入到乳液聚合反應(yīng)體系中，和其他單體發(fā)生共聚合反應(yīng)，結(jié)合到聚合物鏈上，起到內(nèi)乳化作用。但是，這種二元膠體晶體及其制備方法均存在著不足之處，首先，構(gòu)成二元膠體晶體的兩種粒子間的直徑差和混合的比例均過(guò)小，尤其是過(guò)小的直徑差與單一尺寸晶體的差別不大，這不僅不利于實(shí)際中的應(yīng)用，還出現(xiàn)了如文章中所述的在兩種粒子的數(shù)密度比由1 0向0 1變化時(shí)，膠體晶體的平均粒子間距變大，當(dāng)兩種粒子的數(shù)密度比為5 1時(shí)，膠體晶體出現(xiàn)了超晶格結(jié)構(gòu)，極大地制約了其應(yīng)用的范圍；其次，制備方法不能制得適用范圍較廣的二元膠體晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種兩種膠體球間的直徑差和混合比例較符合實(shí)際應(yīng)用，以及間距穩(wěn)定的二元有序膠體晶體模板。本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題為提供一種二元有序膠體晶體模板的制備方法。本發(fā)明要解決的還有一個(gè)技術(shù)問(wèn)題為提供一種二元有序膠體晶體模板的用途。為解決本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案為二元有序膠體晶體模板由襯底和其上覆有的膠體晶體組成，特別是，所述膠體晶體由兩種不同直徑的聚苯乙烯膠體球構(gòu)成，所述兩種膠體球直徑間的大小比例為5 20 1，其中，大直徑膠體球的球直徑為250 5000nm、小直徑膠體球的球直徑為50 250nm ；所述大直徑膠體球按六方有序結(jié)構(gòu)單層排列，所述小直徑膠體球位于大直徑膠體球之間；所述膠體晶體的厚度為250 5000nm。
作為二元有序膠體晶體模板的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的大直徑膠體球按六方緊密排列。為解決本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，所采用的另一個(gè)技術(shù)方案為二元有序膠體晶體模板的制備方法采用微乳液聚合法，特別是完成步驟如下先將質(zhì)量百分比溶度均為1. 5 10%的大直徑聚苯乙烯膠體球溶液和小直徑聚苯乙烯膠體球溶液按照體積比為10 30 1的比例混合均勻，得到混合液，再將混合液滴加至襯底上后旋涂甩開，自然干燥后制得二元有序膠體晶體模板。作為二元有序膠體晶體模板的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的將混合液滴加至襯底上的體積為4 10 μ L ；所述的旋涂甩開時(shí)的轉(zhuǎn)速為300 lOOOr/s ；所述的自然干燥時(shí)的溫度為M ；所述的襯底為玻璃，或單晶硅片，或陶瓷，或云母，或石英。為解決本發(fā)明的還有一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，所采用的還有一個(gè)技術(shù)方案為二元有序膠體晶體模板的用途為使用二元有序膠體晶體模板，結(jié)合溶液法或溶膠-凝膠法，用于制備單層或多層二元有序多孔薄膜。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是，其一，對(duì)制得的產(chǎn)物使用掃描電鏡進(jìn)行表征，由其結(jié)果可知，產(chǎn)物為置于襯底上的由兩種不同直徑的聚苯乙烯膠體球構(gòu)成的厚度為250 5000nm的膠體晶體。兩種膠體球直徑間的大小比例為5 20 1，其中，大直徑膠體球的球直徑為250 5000nm、小直徑膠體球的球直徑為50 250nm。不論大小直徑膠體球間的直徑差和混合比例如何變化，膠體晶體中的大直徑膠體球均按六方有序結(jié)構(gòu)單層排列，小直徑膠體球均位于大直徑膠體球之間；其二，這種采用兩種不同直徑的膠體球按照一定方式交替規(guī)整排列所形成的二元有序膠體晶體，既是研究晶體的成核與生長(zhǎng)、熔化及玻璃化轉(zhuǎn)變的理想模型，又有著比由單一尺寸組裝成的一元膠體晶體更好、更廣泛的實(shí)際應(yīng)用，例如利用二元膠體晶體可實(shí)現(xiàn)全帶隙的光子晶體，還可結(jié)合溶液法或溶膠-凝膠法，在不同的襯底上，選取不同參數(shù)的二元膠體晶體模板，來(lái)合成各種孔直徑和不同薄膜厚度的大面積的(cm2厘米級(jí)的)單層或多層二元有序多孔薄膜；其三，制備方法不僅科學(xué)、有效，還具有普適性，只要選取不同直徑的兩種膠體球進(jìn)行混合，就可以獲得不同的二元有序膠體晶體，進(jìn)一步通過(guò)調(diào)節(jié)兩種膠體球的體積比，還可對(duì)二元膠體晶體的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制；其四， 二元膠體晶體模板可以溶液或水為介質(zhì)直接轉(zhuǎn)移，縮小了工業(yè)應(yīng)用的難度，擴(kuò)大了其適用的范圍；其五，制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，無(wú)污染，適于工業(yè)化生產(chǎn)。作為有益效果的進(jìn)一步體現(xiàn)，一是大直徑膠體球優(yōu)選按六方緊密排列，滿足了應(yīng)用時(shí)對(duì)大直徑膠體球間需緊密排列的特殊需求；二是將混合液滴加至襯底上的體積優(yōu)選為 4 10 μ L，利于模板的形成；三是旋涂甩開時(shí)的轉(zhuǎn)速優(yōu)選為300 lOOOr/s，便于將混合液均勻地甩開；四是自然干燥時(shí)的溫度優(yōu)選為M ^°C，確保了產(chǎn)物的品質(zhì)；五是襯底優(yōu)選為玻璃或單晶硅片或陶瓷或云母或石英，除使襯底有較大選擇的余地之外，也使制備工藝更易實(shí)施且靈活。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。圖1是對(duì)分別選用直徑為IOOOnm和200nm的聚苯乙烯膠體球制得的產(chǎn)物使用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行表征的結(jié)果之一。由SEM照片可看到產(chǎn)物包括了兩種大小不同的球，其中小球圍繞著大球。圖2是對(duì)分別選用不同直徑的聚苯乙烯膠體球制得的產(chǎn)物使用掃描電鏡進(jìn)行表征的結(jié)果；其中，圖2A是分別以直徑為IOOOnm和IOOnm的聚苯乙烯膠體球制得的產(chǎn)物的 SEM照片，圖2B是分別以直徑為IOOOnm和50nm的聚苯乙烯膠體球制得的產(chǎn)物的SEM照片。 由圖2A和圖2B可看到，小直徑膠體球圍繞在大直徑膠體球的球隙之間。
具體實(shí)施例方式首先從市場(chǎng)購(gòu)得或用常規(guī)方法制得質(zhì)量百分比溶度均為1. 5 10%的大直徑聚苯乙烯膠體球溶液和小直徑聚苯乙烯膠體球溶液；其中，大直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為250 5000nm、小直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為50 250nm。作為襯底的玻璃、單晶硅片、陶瓷、云母和石英。接著，實(shí)施例1制備的具體步驟為先將質(zhì)量百分比溶度均為1. 5%的大直徑聚苯乙烯膠體球溶液和小直徑聚苯乙烯膠體球溶液按照體積比為10 1的比例混合均勻，得到混合液；其中，大直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為lOOOnm、小直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為250nm。再將混合液滴加至襯底上后旋涂甩開；其中，襯底為玻璃，混合液滴加至襯底上的體積為4μ L， 旋涂甩開時(shí)的轉(zhuǎn)速為300r/s。經(jīng)溫度為的自然干燥后，制得近似于圖1、圖2A和圖2B 所示的二元有序膠體晶體模板。實(shí)施例2制備的具體步驟為先將質(zhì)量百分比溶度均為3%的大直徑聚苯乙烯膠體球溶液和小直徑聚苯乙烯膠體球溶液按照體積比為15 1的比例混合均勻，得到混合液；其中，大直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為lOOOnm、小直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為200nm。再將混合液滴加至襯底上后旋涂甩開；其中，襯底為玻璃，混合液滴加至襯底上的體積為5. 5μ L， 旋涂甩開時(shí)的轉(zhuǎn)速為500r/s。經(jīng)溫度為25°C的自然干燥后，制得如圖1所示，近似于圖2A 和圖2B所示的二元有序膠體晶體模板。實(shí)施例3制備的具體步驟為先將質(zhì)量百分比溶度均為5%的大直徑聚苯乙烯膠體球溶液和小直徑聚苯乙烯膠體球溶液按照體積比為20 1的比例混合均勻，得到混合液；其中，大直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為lOOOnm、小直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為150nm。再將混合液滴加至襯底上后旋涂甩開；其中，襯底為玻璃，混合液滴加至襯底上的體積為7μ L，旋涂甩開時(shí)的轉(zhuǎn)速為700r/s。經(jīng)溫度為的自然干燥后，制得近似于圖1、圖2A和圖2B所示的二元有序膠體晶體模板。實(shí)施例4制備的具體步驟為
先將質(zhì)量百分比溶度均為8%的大直徑聚苯乙烯膠體球溶液和小直徑聚苯乙烯膠體球溶液按照體積比為25 1的比例混合均勻，得到混合液；其中，大直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為lOOOnm、小直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為lOOnm。再將混合液滴加至襯底上后旋涂甩開；其中，襯底為玻璃，混合液滴加至襯底上的體積為8. 5μ L， 旋涂甩開時(shí)的轉(zhuǎn)速為850r/s。經(jīng)溫度為27°C的自然干燥后，制得如圖2A所示，近似于圖1 和圖2B所示的二元有序膠體晶體模板。實(shí)施例5制備的具體步驟為先將質(zhì)量百分比溶度均為10%的大直徑聚苯乙烯膠體球溶液和小直徑聚苯乙烯膠體球溶液按照體積比為30 1的比例混合均勻，得到混合液；其中，大直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為1000·、小直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為50·。再將混合液滴加至襯底上后旋涂甩開；其中，襯底為玻璃，混合液滴加至襯底上的體積為10yL， 旋涂甩開時(shí)的轉(zhuǎn)速為lOOOr/s。經(jīng)溫度為的自然干燥后，制得如圖2B所示，近似于圖 1和圖2A所示的二元有序膠體晶體模板。再分別選用大直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為250 5000nm中之任一直徑、小直徑聚苯乙烯膠體球溶液的膠體球直徑為50 250nm中之任一直徑，以及選用作為襯底的玻璃或單晶硅片或陶瓷或云母或石英，重復(fù)上述實(shí)施例1 5，同樣制得了如或近似于圖1或圖2A或圖2B所示的二元有序膠體晶體模板。若需制備單層或多層二元有序多孔薄膜，只需使用本產(chǎn)物，并結(jié)合溶液法或溶膠-凝膠法即可。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的二元有序膠體晶體模板及其制備方法和用途進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種二元有序膠體晶體模板，由襯底和其上覆有的膠體晶體組成，其特征在于所述膠體晶體由兩種不同直徑的聚苯乙烯膠體球構(gòu)成，所述兩種膠體球直徑間的大小比例為5 20 1，其中，大直徑膠體球的球直徑為250 5000nm、小直徑膠體球的球直徑為 50 250nm ；所述大直徑膠體球按六方有序結(jié)構(gòu)單層排列，所述小直徑膠體球位于大直徑膠體球之間；所述膠體晶體的厚度為250 5000nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二元有序膠體晶體模板，其特征是大直徑膠體球按六方緊密排列。
3.—種權(quán)利要求1所述二元有序膠體晶體模板的制備方法，采用微乳液聚合法，其特征在于完成步驟如下先將質(zhì)量百分比溶度均為1. 5 10%的大直徑聚苯乙烯膠體球溶液和小直徑聚苯乙烯膠體球溶液按照體積比為10 30 1的比例混合均勻，得到混合液，再將混合液滴加至襯底上后旋涂甩開，自然干燥后制得二元有序膠體晶體模板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二元有序膠體晶體模板的制備方法，其特征是將混合液滴加至襯底上的體積為4 10 μ L。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二元有序膠體晶體模板的制備方法，其特征是旋涂甩開時(shí)的轉(zhuǎn)速為300 1000r/so
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二元有序膠體晶體模板的制備方法，其特征是自然干燥時(shí)的溫度為24 ^°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二元有序膠體晶體模板的制備方法，其特征是襯底為玻璃， 或單晶硅片，或陶瓷，或云母，或石英。
8.—種權(quán)利要求1所述二元有序膠體晶體模板的用途，其特征在于使用二元有序膠體晶體模板，結(jié)合溶液法或溶膠-凝膠法，用于制備單層或多層二元有序多孔薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二元有序膠體晶體模板及其制備方法和用途。模板由襯底和其上的膠體晶體組成，特別是膠體晶體由兩種不同直徑的聚苯乙烯膠體球構(gòu)成，兩種膠體球直徑間的大小比例為5～20∶1，其中，大直徑膠體球的球直徑為250～5000nm、小直徑膠體球的球直徑為50～250nm，大直徑膠體球按六方有序結(jié)構(gòu)單層排列，小直徑膠體球位于大直徑膠體球之間，膠體晶體的厚度為250～5000nm；方法步驟為先將質(zhì)量百分比溶度均為1.5～10％的大直徑聚苯乙烯膠體球溶液和小直徑聚苯乙烯膠體球溶液按照體積比為10～30∶1的比例混合均勻，得到混合液，再將混合液滴加至襯底上后旋涂甩開，自然干燥后制得二元有序膠體晶體模板。它可廣泛地用于制備單層或多層二元有序多孔薄膜。
文檔編號(hào)C30B29/58GK102199790SQ20101014009
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者劉廣強(qiáng), 王洪強(qiáng), 蔡偉平, 賈麗超 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院