[发明专利]一种超声喷雾制备大面积单层胶体晶体模板的方法

说明书

本发明公开一种超声喷雾制备大面积单层胶体晶体模板的方法，该方法基于空气‑水两相界面，采用超声喷雾的形式将胶体晶体分散液均匀施加于水面，分散液雾滴抵达水面后在马兰戈尼效应作用下迅速向四周扩散。胶体晶体在界面的层流运动中迅速扩展成单层，随后在毛细管力的作用下自组装成紧密排列的单层胶体晶体模板。本发明有望彻底扭转目前获取大面积单层胶体晶体模板的困难局面，为二维周期性表面纳米结构的制备提供了一种高效且简单实用，同时成本低廉的技术途径。

技术领域

本发明属于单层胶体晶体模板的自组装领域，具体涉及一种超声喷雾制备大面积单层胶体晶体模板的方法。

背景技术

二维周期性表面纳米结构在光子学、电子学、生物化学传感和光电领域具有极其广泛的应用。制备二维周期性表面纳米结构的传统方法主要有电子束光刻技术、X射线光刻技术、极紫外光刻技术、准分子光刻技术等，上述技术不仅成本昂贵，同时难以达到大规模的生产效率。近年来，通过在空气/水界面自组装单层胶体晶体模板，随后采用湿法刻蚀的方法获取各种二维周期性表面纳米结构不仅简单易用，成本低廉，同时可以大规模批量生产。目前制备大面积单层胶体晶体模板的方法主要有液面垂直提拉法、旋转涂抹法、气液界面自组装法、斜坡自组装法等，但上述方法均有相对较为明显的缺陷。2015年中科院宁波材料技术与工程研究所发表的论文《Large-Area Nanosphere Self-Assembly by a Micro-Propulsive Injection Method for High Throughput Periodic SurfaceNanotexturing》中采用微注射的方法在水面进行PS微球的大面积自组装。该方法简单实用，可以大规模生产，但实验中注射针头与液面的接触控制必须十分严格，无论没入还是露出液面均有可能造成PS微球直接沉入水下，甚至破坏液面的动态平衡。针对该问题，本发明采用超声喷雾的形式将分散液雾化，随后通过超声波的定向聚焦作用将雾滴缓慢施加于液面，该方法不需要喷雾头与液面直接接触，避免了“接触式”注射可能会造成的各种不稳定因素，同时超声波的分散作用可以保证分散液中PS微球均匀施加于水面，避免局部PS微球浓度过高而造成沉降。本发明操作简单，不需要精确控制针头与水面的接触状态，鲁棒性能提高，降低了分散液直接沉入水下的可能性。

发明内容

本发明目的在于提供一种超声喷雾制备大面积单层胶体晶体模板的方法。

实现本发明目的提供技术方案如下：

一种超声喷雾制备大面积单层胶体晶体模板的方法，由以下步骤制得：

步骤1：将纳米微球悬浮液、去离子水、无水乙醇混合均匀，超声分散5-10分钟形成胶体晶体分散液；

步骤2：通过注射泵将分散液缓慢输送到超声喷雾头，分散液在超声波作用下雾化成微纳米雾滴，随后在超声波的定向聚焦作用下施加于空气/水界面；

步骤3：分散液雾滴触碰水面后，在马兰戈尼效应作用下迅速向四周扩散，将其内包含的纳米微球均匀分散于水面；

步骤4：静置5-10分钟，纳米微球在空气-水界面通过毛细管力进行自组装，随后形成紧密排列的单层模板；

步骤5：胶体晶体自组装完成后，通过缓慢提升预先浸没于水面下的基板将单层模板转移至基板上；

步骤6：缓慢转移基板至水浴烘箱，待模板中溶剂缓慢挥发，即可得到大面积单层微球模板。

进一步的，，微球表面应具备较高的疏水性，通过接触角测试水滴在其表面的接触角应不低于90°。

进一步的，将基板浸没于水下之前，需先对基板表面进行超亲水处理。

进一步的，胶体晶体分散液中，除去离子水外，选择表面张力比水低，且能与水任意比例互溶的有机溶剂，无水乙醇、正丙醇或异丙醇。