[发明专利]通过提拉技术取向纳米杆薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米杆取向薄膜的制备方法，特别是通过提拉装置提拉中在气-液-固界面产生的毛细作用力引导溶液中分散的纳米杆材料在气-液-固界面处的固体表面沿离开液体的提拉方向进行组装，从而获得取向性纳米杆薄膜的组装技术。该技术能够简单且有效地组装纳米杆材料，并为其在传感、光学领域的应用提供了可能。

背景技术

一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度、长度为宏观尺度的新型纳米材料，包括纳米线、纳米杆、纳米管、及纳米带等。这类材料由于具有奇特的物理、化学性质，例如金属向绝缘体过渡、超强的机械强度、高的发光效率、较低的激光域值及热电系数增强等，而在光学、电子学、环境和医学领域有着广泛的应用前景，为器件的微型化、纳米化提供了材料基础。其中纳米杆材料由于制备方便、形貌及性能易于调控及应用领域广泛而受到人们的高度关注。为此，人们开发了多种多样的纳米杆材料的制备方法如气相生长、液相生长、模板方法等。

目前，包括纳米杆材料在内的纳米材料研究及使用中的关键点及热点是纳米材料的器件化，因为只有将纳米材料应用于器件之中，才能使纳米材料应用范围扩大或者真正走向实用。而实现纳米材料器件化的最有效的方法就是纳米材料的组装或者复合。对于纳米杆材料，人们通过纳米杆阵列的生长或者将纳米杆组装进纳米纤维中而获得了性能良好的包括场效应显示、传感等器件。然而，一方面目前的器件化纳米杆材料在使用中仍然存在包括机械强度、组装效果等方面的问题，而另外一方面，其一些出色的性能还未能得到很好地应用。例如，人们通过气相生长法可以制备品质优良的取向排列氧化锌纳米杆阵列即纳米杆与承载体表面存在垂直分量的纳米杆垂直阵列，但是由于其机械强度不理想而限制其真正的应用，而纳米杆在平面内的取向排列所能够产生的包括偏振效应在内的性能则还没有得到充分的开发。因此，进一步开发纳米杆的组装技术并将其应用于工农业生产、生活领域是极有意义的。

事实上，在自然界中，就存在一些性能优良的纳米杆器件实例。例如，动物的骨骼由羟基磷灰石纳米杆与胶原蛋白纳米纤维取向排列复合，从而获得了高的强度及高的断裂韧性。而一些蜘蛛的复眼通过其视网膜上100纳米左右的纳米杆的取向排列所导致的偏振效应而对偏振光响应非常敏感，它们均没有采用单层与组装面垂直的纳米杆组装技术。因此，开发一些不同于单层纳米杆与组装平面垂直的纳米杆薄膜的组装技术就显得很有必要了。为此，人们开发了通过将纳米杆材料与存在亲水端及疏水端的表面活性剂材料复合从而引导纳米杆分布于气-液界面处，然后通过垂直提拉浸泡于气-液界面处存在纳米杆-表面活性剂复合材料的溶液中的承载体，而在承载体表面借助毛细作用力引导气-液界面处的纳米杆材料在承载体表面组装，从而获得与承载体表面平行且相互间存在平行分量的取向纳米杆薄膜即通常所说的LB膜法。然而，该方法由于必须借助于表面活性剂将纳米杆材料在提拉前就引导至气液界面处，而且必须进行垂直提拉因而提高了取向纳米杆薄膜的制备成本而且限制了其应用范围。

为此，本发明提出通过提拉装置提拉中在气-液-固界面产生的毛细作用力引导溶液中的纳米杆材料在气-液-固界面处的固体表面沿离开液体的提拉方向进行组装，从而获得在固体表面与固体固体表面存在平行分量的取向纳米杆薄膜。该方法由于不需要使用引导纳米杆材料在气液界面处组装的表面活性剂，而且除了垂直提拉外还能使用倾斜提拉及水平提拉，因此降低了纳米杆取向薄膜的制备成本，拓宽了其适用范围。该技术对于纳米杆材料在光学、传感领域的进一步应用将起到积极的促进作用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种通过提拉技术取向纳米杆薄膜的制备方法，特别是通过提拉纳米杆材料的承载体，使得承载体表面在气-液-固界面处借助毛细作用力引导溶液中的纳米杆材料在承载体表面进行组装，从而获得固体承载体表面与承载体表面平行并且在提拉方向存在平行分量的纳米杆取向组装薄膜。

技术方案：本发明的方法能够方便廉价地获得与固体承载体表面平行且相互间存在平行分量的纳米杆取向薄膜，可望广泛应用于光学、显示、传感领域。

本发明通过提拉技术取向纳米杆薄膜的制备方法为：通过提拉方法使得纳米杆材料的承载体表面与内含纳米杆材料的溶液间产生承载体部分表面离开纳米杆溶液的相对运动，并利用由此产生的气-液-固界面处的毛细作用力引导溶液中纳米杆材料向承载体表面附近的气-液界面处运动，然后在承载体表面离开纳米杆分散溶液时，聚集在气-液-固界面处的纳米杆材料在承载体表面借助毛细作用力进行与承载体表面平行并且相互间存在平行分量的组装；其中“气”为“液”为纳米杆分散溶液，“固”为承载体。