[发明专利]一种大面积单畴二维胶体晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米/微米微结构材料的制备方法，具体涉及一种可以得到大面积 单畴二维胶体晶体并且成本低廉、容易操作的单畴二维胶体晶体的制备方法。

背景技术

目前，微结构材料由于其特有的物理性质及其在光电功能器件方面广泛的应用前 景，而受到人们的广泛关注。如何快捷有效的制备大面积微结构材料始终是人们关注的 热点问题。制备周期性微结构材料的方法大体可分为微加工方法和自组织方法。与微加 工方法相比，利用单分散的胶体微球自组织成的胶体晶体来获得二维周期性微结构的方 法工艺简单、成本低廉。但是迄今为止，制备大面积单畴(单畴有序面积达到厘米尺度) 的二维胶体晶体仍然是一个技术上的难题，现有方法无法制备大面积单畴的胶体晶体， 这在很大程度上限制了二维胶体晶体的应用。

胶体晶体制备原理大致分为胶体微球重力驱动自组织、外加场驱动自组织、毛细吸 引力驱动自组织、蒸发引起的对流自组织以及图案衬底诱导的外延自组织等。基于这些 原理，人们已经提出了多种胶体晶体具体的制备方案。这些现有的方法在某些特定的条 件下非常有效，但同时也具有一定的局限性。例如，在纯粹依赖重力场作用(参见K.E. Davis，W.B.Russel，W.J.Glantschnig，Science，245，507(1989).)制备得到的胶体晶体中 往往含有较多的点或者面缺陷的多晶，晶体的厚度难于控制，制备周期较长，不适用于 那些自身重力大于在悬浮液中的浮力的胶体微球的自组织；通过外加电场实现胶体球自 组织的方法依赖于电场的存在，当电场撤销之后，胶体晶体的有序性也随即消失(参见 S.O.Lumsdon，E.W.Kaler，J.P.Williams，O.D.Velev，Appl.Phys.Lett.82，949，(2003).)； 旋涂法可以快速制备大面积胶体晶体，却没有任何机制来控制胶体晶体的畴向(参见J. C.Hulteen，R.P.Van Duyne，J.Vac.Sci.Technol.A，13，1553，(1995).)；基于机械提拉衬 底或者拖动衬底的制备方法对外界震动条件有非常严格的要求，同时并没有根本解决胶 体晶体大面积单畴性的问题(参见B.G.Prevo，O.D.Velev，Langmuir，20，2099(2004).)； 利用精细的操控技术，例如纳米机械手(Nano-robotic manipulation)可以将胶体微球排 列成非常完美的结构，但是低效和对仪器以及操控的要求之高是不言而喻的(参见F. Garcia-Santamaria，et，al，Adv.Mater.14，1144(2002).)。由毛细吸引力驱动的自组织机制 中，胶体微球有形成密堆积方向平行于液体干燥液面与衬底交线的结构的趋势。可是， 基于此机制的垂直沉积法由于不能控制干燥界面弯液面的形状，所生长出的胶体晶体的 层数变化很大，并且无法生长出大面积单一畴向的胶体晶体(参见P.Jiang，J.F.Bertone， K.S.Hwang，V.L.Colvin，Chem.Mater.11，2132(1999).)。同样的原因，即液体干燥前沿 与衬底的接触线为弧线，另一种毛细力驱动下的湿板法制备出的单层胶体晶体也具有多 种畴向(参见N.D.Denkov，O.D.Velev，P.A.Kralchevsky，I.B.Ivanov，H.Yoshimura，K. Nagayama，Langmuir 8，3183(1992).)。基于长方体微腔的胶体晶体制备方法(专利号为 200410041939)虽然能有效制备出均匀的二维胶体晶体，但是在晶体生长过程中干燥界 面与衬底所形成的接触线也为弧线型，也很难生长出大面积单畴的胶体晶体。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以得到尺寸突破厘 米尺度的大面积单畴二维胶体晶体并且成本低廉、容易操作的大面积单畴二维胶体晶体 的制备方法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种大面积单畴二维胶体晶体的制备方法 包括以下步骤：

(1)将第一衬底和第二衬底按一定角度放置并固定，形成一个楔形微腔；

(2)将单分散胶体微球的悬浊液注入楔形微腔内；

(3)将楔形微腔静置，楔形微腔内的液体蒸发，单分散胶体微球在毛细力作用的 驱动下在液体干燥界面与第一衬底和第二衬底的接触线处发生自组织，形成有序结构；