[发明专利]一种金纳米粒子单层膜的制备方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金纳米粒子单层膜的制备方法及其装置，属于纳米粒子组装技术领域。

背景技术

纳米加工技术担负着支持最新科学技术进步的重要使命。国防战略发展的需要和纳米级精度产品高利润市场的吸引，促使了纳米加工技术产生并迅速发展。例如，现代武器惯导仪表的精密陀螺、激光核聚变反射镜、大型天体望远镜反射镜和多面棱镜、大规膜集成电路硅片、计算机磁盘及复印机磁鼓等都需要进行纳米级加工。纳米加工技术的发展也促进了机械、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。

纳米粒子的二维或三维组装结构可以产生许多新奇的光电性质,这些有序结构可以作为研究金属中晶界电子转移的模型,也可以用于光栅、滤光器及高密度数据存储和微电子器件构建等。其中，金纳米粒子以其良好的物理化学性质,在许多领域表现出特有的理论和应用价值。比如，在D N A检测中,可以用来作为D N A的标定物,增加检测的灵敏度和检测的效率。因此，在纳米化学、纳米材料以及纳米电子学中,金纳米粒子及其组装结构都是首选的研究对象和衬底材料——如何可控地排布金纳米粒子是当前需要解决的关键问题之一。

构建纳米器件的方法主要有自上而下(top down)和自下而上(bottom up)两种。前者由于相关物理定则的影响，其加工尺寸已经快接近极限；后者是建立在原子和分子基础上的器件加工和构建技术：该方法具有简单低耗、高产高效、易控环保等特点，使其在构造纳米尺度器件和机器方面处于优势地位。常见的“自下而上”的纳米粒子组装方法有自组装、溶胶法、电化学氧化还原法、高真空沉积法、机械法等；其中，以纳米粒子自组装最为高效（参见文献：Nanoscale, 2012, 4, 6974）。

目前，金纳米粒子常用巯基试剂作为表面活性剂（参见文献：Science, 273, 1996, 1690），进行二维或三维结构的自组装。然而，巯基试剂对生物具有毒性，且其与金纳米粒子表面的强作用使组装结构在后续应用中遭遇一定困难。此外，巯基试剂组装的金纳米粒子尺寸一般较小，组装条件较为苛刻，操作复杂，且组装面积仅达微米级，这些存在的不足之处都大大限制了对纳米粒子组装结构的进一步研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种常规环境下的金纳米粒子单层膜（二维组装）的制备方法及其装置，得到的金纳米粒子单层膜具有良好的稳定性和结构刚性。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是提供一种金纳米粒子单层膜的制备方法，包括如下步骤：

⑴运用烟囱装置控制金纳米溶胶的挥发，在含有金纳米粒子的金溶胶的气液界面制备金纳米粒子单层膜；

⑵运用垂直提拉法将金纳米粒子单层膜转移至固相基底上；

⑶将附有金纳米粒子单层膜的基底置于真空溅镀机中，表面溅镀一层微量金，得到稳定的金纳米粒子单层膜。

本发明技术方案所述的金溶胶中金纳米粒子粒径为30～60 nm。所述的固相基底为硅片、导电玻璃。所述的表面溅镀一层微量金的金层厚度为大于等于1 nm，小于等于 2 nm。

一种按上述方法制备金纳米粒子单层膜的装置，为专用的烟囱装置，它包括上下贯通的两部分，下部为呈圆柱状的容器腔，腔体上部的壁上开有四个均匀分布的圆孔，上部为呈轮台状的抽气管，顶部开有气孔。

本发明烟囱装置的一个具体结构为：下部容体腔的直径为13 mm，容积为5 mL，圆孔的直径为1 mm，开于容器腔的3 mL处；上部抽气管的高度为71 mm，顶部气孔的直径为1 mm。

本发明所述的金溶胶，可采用柠檬酸钠还原法，制备12～18nm金种子溶液； 再以盐酸羟胺为还原剂，柠檬酸钠及PVP为稳定剂，用种子生长法制备30～60 nm金溶胶。

本发明中，选择种子生长法制备金纳米粒子的原因是：种子生长法制备的金纳米粒子粒径均匀，单分散性良好，呈球状。由此种纳米粒子制备的单层膜致密、均匀、规整，不易出现空隙和多层现象。加入柠檬酸钠和PVP作为保护剂，可以稳定纳米粒子，使其在成膜环境中不易聚沉。同时由于PVP为高分子化合物，相互之间的偶联作用将有助于成膜并有效维持成膜后金膜的稳定性。

本发明采取“烟囱”装置制备金纳米粒子单层膜的原理在于：下部3 mL位置处4个分布均匀的圆孔及上方的轮台形结构，可较好的控制金溶胶挥发过程中空气的流动和溶剂的挥发速度，以确保金纳米粒子单层膜的形成及控制单层膜的致密程度。