[发明专利]一种基于计算机模拟的热处理辅助自组装胶态晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及胶态晶体制备技术领域，具体涉及一种基于计算机模拟的热处理辅助自组装胶态晶体。

背景技术

随着人们对于化学可控合成技术的逐步掌握，小球组装成的周期性阵列结构即胶态晶体引起了科技工作者的极大兴趣。这是因为胶态晶体有着多方面的应用，比如它可以用于纳米印刷术，光电自学，数据存储，生物传感，表面等离子体和光子晶体等。其中，胶态晶体在纳米印刷方面的作用，有望取代昂贵而耗时的电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、光刻等设备，在工业化浪潮中发挥不可替代的作用。该技术与工业化生产高度兼容，成本低廉，产量大，可重复性好。

目前制备光子晶体的技术有多种，比如匀胶法、电场辅助自组装法、提拉法、捞膜法，以及限域蒸发自组装法等。然而，这些方法要么只能制备局部单晶，难以得到大面积的胶态晶体；要么生产过程过于复杂，生产周期长和需要特别装置等，不利于作为工业化应用的胶态晶体生产方法加以推广。此外，捞膜法对手工技术要求比较高，难以重复；提拉法带来的振动会不可避免地破坏胶态晶体的自组装，难以得到完美的小球周期性排列单晶结构。

近期，我们提出了倾斜自组装胶态晶体（专利申请号：20121049348.7），该方法对实验装置的要求非常简单，可以得到大面积（例如2英寸的圆硅片）的胶态晶体，但是该方法需要通过大量的实验尝试，才能找出“最佳”的实验条件，而用不同直径的微纳米球体构筑不同的周期性胶态晶体结构的实验条件是有差别的。因此，通过计算模拟预言实验参数、提高实验制备胶态晶体工艺的通用性和产业化效率显得尤为重要。然而，众所周知，通过建立模型，利用计算机模拟来预言实验参数（尤其是考虑液体蒸发时），是一个非常困难的课题（Woodley等，Nature Materials2008,7,(12)）。目前没有任何的文献或者专利报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于计算机模拟的热处理辅助自组装胶态晶体。

本发明的另一目的是提供一种制备基于计算机模拟的热处理辅助自组装胶态晶体的方法。

首先，本发明提供了一种基于计算机模拟的热处理辅助自组装胶态晶体，该晶体通过建立用于门特卡罗算法的优化胶态晶体工艺参数的数学模型，并通过该模型模拟预言最优的自组装温度等工艺参数；同时结合匀胶法，调控组装小球晶体时的其他若干参数，如小球的分散系和胶液的浓度，获得大面积（几乎整个基片）的胶态单晶。

其中，所述胶态晶体工艺参数的数学模型建立步骤如下：

第一步设定初始构型（初态）：

1)成核点：随机在网格中选择某些格点，作为成核点；

2)占据格点：以一定的概率占据格点，均匀分布；格点可以分为三类：未占据（0），占据且周围全部占据（2），本身占据且周围只有部分占据（1）；

第二步演化规则：

1)随机在占据格点中选择一个周围有空位的格点（label为1的点）；

2)找到所选格点最近的成核点；

3)计算占据格点到周围空位的迁移概率，以P=exp[-(U-U_c)/kT]为权重，其中U=U₀*ln(r),Uc=U₀*ln(r_c),认为U₀是与温度有关的函数，U_c是移动前胶态晶体阵列的势能，U是移动后的势能，k代表玻尔兹曼常数、T代表自组装温度，r_c代表格点与成核点间的距离；ln(r)的形式是考虑到粒子间所有相互作用，毛细作用力的势能占最主要作用；列出所有可能的迁移方向并按概率选出一个方向；

4)计算可能的迁移方向，如果势能有所减小，则接受这次试探行走；如果能量增加，则以P=exp[-(U-U_c)/kT]为接受概率；即所述接受概率为min{1,exp[-(U-U_c)/kT]}；

5)如果有所移动，计算移动所产生的能量变化，监测能量变化，并重新标记移动涉及的各个格点；

6)重复以上步骤，直至能量基本不再变化时（对应的物理情景就是胶液干燥的情形）即得出最优参数。

该模型通过计算机模拟预言自组装参数，结合热处理，从而高效便捷地实现大面积小球晶体的自组装。本发明的物理模型所涉及的蒙特卡罗算法实现代码有多种，只要不脱离该算法和物理模型的范畴就是该专利所保护的范围。

更进一步地，本发明提供了一种自组装胶态晶体的制作方法，其具体步骤如下：

（1）对基底按标准的RCA程序进行清洗；