专利名称：纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米技术领域的薄膜制备方法，具体涉及一种纳米粒子有序 单层和多层薄膜的制备方法。
背景技术：
随着纳米科学技术的发展，纳米薄膜的制备技术越来越多的得到了人们的广 泛关注，特别是近年来利用纳米粒子制备的纳米级二维有序表面结构越来越受到 人们重视，这主要是因为这类纳米结构薄膜具有优异的光学、电学、磁学等方面 的特性，因此很多物理和化学的制备方法正在被研究和应用，如LB技术、自 组装技术、溶胶一凝胶技术、电子束蒸发、真空热蒸发等方法。但这些方法通常 不能得到大面积高度有序的二维及三维纳米粒子薄膜，且纳米粒子膜与基底的结 合力相对较差。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利号为02155019.0、授权公告 号为CN1425707，名称为"固态基底表面有序排布纳米颗粒的方法"，该专利自 述为"一种固态基底表面有序排布纳米颗粒的方法属于纳米技术领域"，其特征 在于，"将带有亲水和疏水基团的链状有机分子溶于挥发性非水溶剂中。将与带 有亲水和疏水基团的链状有机分子结合的纳米颗粒分散于上述溶液中。以纯水为 底液，将上述含有纳米颗粒的非水溶液铺展在Langmuir槽中，控制水表面纳米
颗粒单分子薄膜的膜压。用垂直提拉法将薄膜转移到处理过的固态基底表面形成 Y-型LB膜。所制备的纳米颗粒薄膜经过高温退火或高能光线照射， 一些有机分 子离解，并从衬底上蒸发，纳米颗粒保留在基底上"，它公开了一种以LB技术在 固态基底表面排布纳米粒子的方法。这种方法主要采用修饰有亲水和疏水基团的 链状有机分子结合的纳米粒子作为原料，在Langmuir槽中通过控制水表面纳米 粒子单层薄膜的膜压来实现纳米粒子排布。由于这种方法需要在纳米粒子表面修 饰有机分子，并通过LB技术实现纳米粒子的有序排布，因此容易受到有机分子 和实验设备等条件的限制，从而限制不同纳米粒子的排布和应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种纳米粒子有序单层和多 层薄膜的制备方法，其具有简单、实用的特点，所得纳米图形分布均匀、有序、 可控、与基底结合力好，而且能够实现在不同的固态基底上纳米粒子薄膜的制备。 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤 步骤1:将经过亲水处理后的固态基片浸泡在硅垸偶联剂溶液中，之后取出， 冲洗和干燥。
步骤2:将上述基片放入烘箱中进一步加热处理，取出后自然冷却，留做后用。
步骤3:将上述处理好的基片垂直浸渍于纳米粒子溶液中，提拉垂直放置的
偶联剂修饰过的基片，将基片提拉出液面后停止，取下冲洗，干燥，获得纳米粒 子有序单层薄膜。
步骤4:将所得纳米粒子单层膜重新放入硅垸偶联剂溶液中或纳米粒子溶液 中，然后重复以上全部或部分步骤可获得多层有序纳米粒子薄膜。
根据步骤1，本发明所使用的硅烷偶联剂是一种带有亲水基团和烷氧基基团 的硅烷类有机分子，其亲水基团主要是氨基或巯基基团，硅烷偶联剂溶液的质量 百分比浓度为O. 1 — 10%，溶剂为水或乙醇，浸泡时间为l分钟一48小时，最佳
浸泡时为6—24小时。本发明所使用的固态基片主要是玻璃片、硅片、表面氧化
的硅片、石英片或云母片，冲洗所用试剂为水或乙醇，干燥采用气体吹干或自然 晾干的方法，吹干基片所用气体为氮气、氩气或空气。
根据步骤2，本发明加热处理基片的温度为60 — 12(TC，时间为10 — 120分钟。
根据步骤3，本发明所排布的纳米粒子的尺寸可以为1 800纳米，纳米粒 子溶液浓度为0. l — 10mg/ral，溶剂为水、乙醇或己垸，所使用的纳米粒子为可 分散于水、乙醇或己烷溶剂中的金属、合金、金属氧化物、硅或氧化硅的纳米粒 子，提拉速度为O. l — 10mm/min，冲洗所用试剂为水、乙醇或己垸，干燥采用气 体吹干或自然晾干的方法，吹干基片所用气体为氮气、氩气或空气。
根据步骤4，本发明重复步骤为步骤1一3或步骤3。
本发明利用自组装与垂直提拉相结合的方法，获得大面积高度有序排布的纳
米粒子二维、三维薄膜，对纳米粒子薄膜在光学、磁学等方面的应用具有重要的 意义。本发明具有简单易行，效率高，表面的图形有序可控，与基底结合力好等 特点，所制得的图形缺陷少，该方法适用范围广，便于推广和应用。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
实施例1
将亲水硅片放入质量百分比浓度为0. 1%的3 —氨基丙基一三甲氧基硅烷水 溶液中浸泡30分钟，取出基片用水冲洗，氮气吹干，而后放入烘箱中12(TC加 热30分钟，取出后自然冷却至室温，将表面经过偶联剂处理的基片垂直浸入粒 径约为1 nm的0. lmg/ml的金纳米粒子水溶液中，之后以0. lmm/min速度提拉 基片，至基片完全露出液面后，取出基片，用水清洗，氮气吹干，获得大面积排 列规则、均匀的纳米粒子单层膜，将所得的单层膜再次放入金纳米粒子水溶液中， 重复提拉可获得多层有序纳米粒子薄膜。
实施例2
将亲水玻璃片放入质量百分比浓度为3%的3 —巯基丙基一三乙氧基硅烷乙 醇溶液中浸泡1分钟，取出基片用乙醇冲洗，氩气吹干，而后放入烘箱中60°C 加热120分钟，取出后自然冷却至室温，将表面经过偶联剂处理的基片垂直浸入 粒径约为15 nm的lmg/ml的金纳米粒子水溶液中，之后以10mra/min速度提拉 基片，至基片完全露出液面后，取出基片，用水清洗，氩气吹干，获得大面积排 列规则、均匀的纳米粒子单层膜，将所得的单层膜再次放入金纳米粒子水溶液中， 重复提拉可获得多层有序纳米粒子薄膜。
实施例3
将亲水石英片放入质量百分比浓度为10%的3 —氨基丙基一三乙氧基硅垸 水溶液中浸泡48小时，取出基片用水冲洗，空气吹干，而后放入烘箱中12(TC 加热10分钟，取出后自然冷却至室温，将表面经过偶联剂处理的基片垂直浸入 粒径约为800纳米的10rag/ml的二氧化硅纳米粒子的乙醇溶液中，之后以 5mm/min速度提拉基片，至基片完全露出液面后，取出基片，用乙醇清洗，空气
6
吹干，获得大面积排列规则、均匀的纳米粒子单层膜，将所得薄膜再次放入偶联 剂溶液中，重复以上步骤可获得多层有序纳米粒子薄膜。 实施例4
将亲水云母片放入质量百分比浓度为1%的3—氨基丙基一三乙氧基硅烷水 溶液中浸泡6小时，取出基片用水冲洗，自然晾干，而后放入烘箱中IO(TC加热 50分钟，取出后自然冷却至室温，将经过表面偶联剂处理的基片垂直浸入粒径 约为50纳米的5mg/ml的二氧化钛纳米粒子的水溶液中，之后以5mm/min速度 提拉基片，至基片完全露出液面后，取出基片，用水清洗，自然晾干，获得大面 积排列规则、均匀的纳米粒子单层膜，将所得薄膜再次放入偶联剂溶液中，重复 以上步骤可获得多层有序纳米粒子薄膜。
实施例5
将亲水处理的表面氧化的硅片放入质量百分比浓度为5%的二乙烯三氨基 丙基一三乙氧基硅烷水溶液中浸泡24小时，取出基片用水冲洗，氮气吹干，而 后放入烘箱中12(TC加热60分钟，取出后自然冷却至室温，将表面经过偶联剂 处理的基片垂直浸入粒径约为5纳米的0. 5mg/ml的铁铂合金纳米粒子的己垸溶 液中，之后以3min/miri速度提拉基片，至基片完全露出液面后，取出基片，用己 烷清洗，氩气吹干，获得大面积排列规则、均匀的纳米粒子单层膜，将所得的单 层膜再次放入铁铂合金纳米粒子己烷溶液中，重复提拉可获得多层有序纳米粒子 薄膜。
权利要求
1、一种纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1将经过亲水处理后的固态基片浸泡在硅烷偶联剂溶液中，然后取出，冲洗和干燥；步骤2将上述基片放入烘箱中进一步加热处理，取出后自然冷却，留用；步骤3将上述处理好的基片垂直浸渍于纳米粒子溶液中，提拉垂直放置的偶联剂修饰过的基片，将基片提拉出液面后停止，取下冲洗，干燥，获得纳米粒子有序单层薄膜；步骤4将所得纳米粒子单层膜重新放入硅烷偶联剂溶液中或纳米粒子溶液中，然后重复以上全部或部分步骤获得多层有序纳米粒子薄膜。
2、 根据权利要求1所述的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法，其特 征是，步骤1中，所述硅烷偶联剂溶液的质量百分比浓度为O. 1 — 10%，溶剂为 水或乙醇。
3、 根据权利要求1或2所述的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法，其特征是，所述硅烷偶联剂是一种带有亲水基团和垸氧基基团的硅垸类有机分 子，其亲水基团是氨基或巯基基团中一种。
4、 根据权利要求1所述的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法，其特 征是，步骤1中，所述浸泡，其时间为1分钟一48小时。
5、 根据权利要求1所述的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法，其特 征是，步骤l中，所述固态基片主要是玻璃片、硅片、表面氧化的硅片、石英片 或云母片中一种。
6、 根据权利要求1所述的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法，其特 征是，步骤1中，所述的冲洗和干燥，冲洗所用试剂为水或乙醇，干燥采用气体 吹干或自然晾干方法中一种，吹干基片所用气体为氮气、氩气或空气中一种。
7、 根据权利要求1所述的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法，其特 征是，步骤2中，所述加热处理，其温度为60 — 12(TC，时间为10 — 120分钟。
8、 根据权利要求1所述的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法，其特 征是，步骤3中，所述纳米粒子溶液浓度为0. 1 —10mg/ml，溶剂为水、乙醇或 己烷。
9、 根据权利要求1或8所述的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法， 其特征是，步骤3中，所述纳米粒子的尺寸为l纳米 800纳米，所使用的纳米 粒子为能分散于水、乙醇或己垸中的金属、合金、金属氧化物、硅或氧化硅的纳 米粒子。
10、 根据权利要求1所述的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法，其特 征是，步骤3中，所述提拉，其速度为0. l — 10mm/min;冲洗所用试剂为水、乙 醇或己烷，干燥采用气体吹干或自然晾干方法中一种，吹干基片所用气体为氮气、 氩气或空气中一种。
全文摘要
一种纳米技术领域的纳米粒子有序单层和多层薄膜的制备方法。本发明步骤为1.将经过亲水处理后的基片浸泡在配制的硅烷偶联剂溶液中，一段时间后取出，冲洗，干燥；2.将上述基片放入烘箱中进一步加热处理，取出后自然冷却，留做后用；3.将上述处理好基片垂直浸渍于纳米粒子溶液中，以一定速度提拉垂直放置的偶联剂修饰过的基片，将基片提拉出液面后停止，取下冲洗，吹干或自然晾干基片，获得有序单层纳米粒子薄膜；4.将所得纳米粒子单层膜重新放入硅烷偶联剂溶液中或纳米粒子溶液中，然后重复以上步骤获得有序多层纳米粒子薄膜。本发明所采用的方法具有简单易行，效率高，表面的图形有序可控等特点，所制得的图形缺陷少。
文档编号C03C17/22GK101376599SQ20081020042
公开日2009年3月4日 申请日期2008年9月25日 优先权日2008年9月25日
发明者张亚非, 杨明来, 英 王, 赵保军 申请人:上海交通大学