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1、10申请公布号CN102020241A43申请公布日20110420CN102020241ACN102020241A21申请号201010539289622申请日20101111B82B3/00200601B82Y40/0020110171申请人吉林大学地址130012吉林省长春市朝阳区前进大街2699号72发明人阮伟东王旭周铁莉赵冰宋薇徐蔚青74专利代理机构长春吉大专利代理有限责任公司22201代理人张景林刘喜生54发明名称一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法57摘要本发明属于纳米结构制备技术领域，特别涉及一种在特定位点掩膜的边缘处构筑聚电解质层，并且利用这些聚电解质的吸附特性。
2、进行纳米粒子组装的方法，即在特定位点掩膜的边缘处实现表面诱导自组装的方法。包括模板的制备、在模板表面沉积聚电解质层、加入掩膜并除去模板、在掩膜的边缘进行组装等步骤。本发明提出了一种在特定的位点进行组装的方法，可以解决一些在微结构边缘处放置纳米粒子的困难。本发明对目前以光刻技术和压印技术为主体的微、纳米加工技术是有利的补充，可以在微结构上以纳米粒子来镶边，从而丰富微结构的功能，对小型化和微型化器件的制备具有潜在的应用。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书4页附图4页CN102020255A1/2页21一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法。
3、，其步骤如下A在基片上固定用于构筑微米或纳米结构的模板；B在模板上进行聚电解质层的沉积，聚电解质为聚二烯丙基二甲基铵氯；C在聚电解质层的表面固定掩膜，掩膜纳米粒子的粒径为10100纳米，掩膜厚度与掩膜纳米粒子粒径相当；D除去由步骤A中引入的模板，在基片表面，原来有模板的区域裸露出来，原来没有模板的区域则保留聚电解质和掩膜纳米粒子的双层结构，同时在掩膜边缘处露出聚电解质层，从而得到双层结构与裸露基片表面交替排列的周期性结构；E通过静电相互作用在掩膜边缘处露出的聚电解质层上组装与掩膜纳米粒子不同种类的纳米粒子，从而在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装。2如权利要求1所述的一种在掩膜的边缘处实现。
4、纳米粒子表面诱导自组装的方法，其特征在于步骤A中的基片是石英片、硅片、玻璃片或高分子基片，基片表面清洁处理后使用。3如权利要求1所述的一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法，其特征在于步骤A中的固定是指以物理旋涂方法或化学交联方法使用于构筑微米或纳米结构的模板固定在基片上。4如权利要求1所述的一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法，其特征在于步骤A中的模板材料是聚苯乙烯胶体微球、二氧化硅胶体微球或聚二甲基硅氧烷，模板的周期为100纳米100微米；模板是微球结构或条状结构，模板固定在基片表面后厚度为50纳米1毫米。5如权利要求1所述的一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导。
5、自组装的方法，其特征在于步骤B中的聚电解质层沉积是指通过化学作用力或者物理作用力使聚电解质化合物吸附到基片和模板表面，厚度0515纳米。6如权利要求1所述的一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法，其特征在于步骤C中的掩膜是指将一层有机材料纳米粒子或无机材料纳米粒子通过物理或化学吸附作用覆盖在基片表面和模板表面，有机材料纳米粒子为聚甲基丙烯酸或聚对乙烯基苯磺酸，无机材料纳米粒子为金、银、铜、CDTE、CDS、ZNO、FE2O3或FE3O4。7如权利要求1所述的一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法，其特征在于步骤D中的所说的除去模板是指用化学腐蚀或物理刻蚀方法除去用于构筑。
6、微米或纳米结构的模板。8如权利要求1所述的一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法，其特征在于步骤E所说的静电自组装是指基于带相反电荷的聚电解质和纳米粒子的静电吸引和以此为驱动力的组装方法。9如权利要求1所述的一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法，其特征在于步骤E所说的在掩膜边缘处露出的聚电解质层上组装与掩膜纳米粒子不同种类的纳米粒子为有机材料纳米粒子或无机材料纳米粒子，有机材料纳米粒子为聚甲基丙烯酸或聚对乙烯基苯磺酸，无机材料纳米粒子为金、银、铜、CDTE、CDS、ZNO、FE2O3或FE3O4。权利要求书CN102020241ACN102020255A2/2页310。
7、如权利要求1所述的一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法，其特征在于进一步利用化学腐蚀或物理刻蚀的方法除去掩膜，仅留下纳米粒子沿掩膜边缘处的组装体，从而在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装。权利要求书CN102020241ACN102020255A1/4页4一种在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的方法技术领域0001本发明属于纳米结构制备技术领域，特别涉及一种在特定位点掩膜的边缘处构筑聚电解质层，并且利用这些聚电解质的吸附特性进行纳米粒子组装的方法，即在特定位点掩膜的边缘处实现表面诱导自组装的方法。背景技术0002纳米技术是指在纳米尺度上制造新材料、研究新工艺、生产新器件。
8、的方法和手段。纳米技术作为一门新兴的交叉学科，将为21世纪的信息科学、生命科学、分子生物学、生态科学和材料科学的发展提供一个全新的技术界面。0003自组装是一种通过基本结构单元分子、纳米材料等自发形成有序结构的一种技术。自组装技术被广泛地应用于纳米材料的制备和纳米器件的构筑，是纳米科学领域的一种重要方法。其中，聚电解质静电交替沉积技术的发展格外引人注目。这种技术已经被用来制备具有发光、防腐、疏水、传感等多种功能的纳米结构超薄膜。通过与模板技术压印、光刻等结合，可以制备聚电解质组装膜的周期结构。但是，技术的发展日益需要改进的制备方法，对小型化和微型化的要求需要精确到亚微米和纳米，精确定位特定的位。
9、点的组装方法亟需发展。0004与本发明相近的技术是2003年8月6日公开的中国专利“自组装结构”，公开号CN1434765。它公开了用一种在分离的岛上的自组装结构。这些结构可用作集成产品器件。生产这些产品的方法包括定义器件边界的定位步骤和在定义的边界内的自组装步骤。本发明不同之处在于不是在定义的边界“内”组装，而是直接在特殊方法构筑的“边缘”上进行组装。边界“内”定义的是一个二维平面，而本发明构筑的“边缘”则是一维线状结构。不同于以往专利，本发明提出了一种新型的基于边缘的组装技术，解决在边缘或边界处组装的方法。发明内容0005本发明的目的是提供一种在掩膜边缘处进行纳米粒子组装的方法，从而解决纳。
10、米粒子定位地沉积在结构边缘处的问题。0006A在基片上固定用于构筑微米或纳米结构的模板；0007B在模板上进行聚电解质层的沉积，聚电解质为PDDAPOLYDIALLYDIMETHYLAMMONIUMCHLORIDE，中文名称聚二烯丙基二甲基铵氯，厚度为0515纳米；0008C在聚电解质层的表面固定掩膜，掩膜纳米粒子的粒径为10100纳米，掩膜厚度与掩膜纳米粒子粒径相当；0009D除去由步骤A中引入的模板，在基片表面，原来有模板的区域裸露出来，原来没有模板的区域则保留聚电解质和掩膜纳米粒子的双层结构，同时在掩膜边缘处露出聚电解质层，从而得到双层结构与裸露基片表面交替排列的周期性结构；0010E通。
11、过静电相互作用在掩膜边缘处露出的聚电解质层上组装与掩膜纳米粒子不说明书CN102020241ACN102020255A2/4页5同种类的纳米粒子，从而在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装。0011上述方法中所说的基片可以是石英片、硅片、玻璃片和高分子例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯类树脂、丙烯酸类树脂、酚醛树脂、氨基树脂等通用塑料；聚酰胺、聚碳酸酯等工程塑料及橡胶基片，表面清洁处理后使用；所说的模板是指纳米加工过程中所用的用于构筑微米或纳米结构的材料，模板的周期可以从100纳米100微米，可以是微球结构，也可以是条状结构。模板固定在基片表面后厚度为50纳米1毫米。模板的周期结构表现在基。
12、片表面的裸露部分和模板覆盖部分周期性地交替出现。模板可以是有机材料或无机材料，例如聚苯乙烯胶体微球、PDMS聚二甲基硅氧烷，可用于制备条状结构模板、二氧化硅胶体微球等，将模板固定在基片上是指以物理旋涂方法或化学交联方法使模板固定在基片上；所说的在模板上进行聚电解质沉积是指通过化学作用力库伦力、氢键、配位键或者物理作用力范德华力使聚电解质化合物吸附到基片和模板的表面，聚电解质层的厚度0515纳米如果用其它种类的聚电解质分子通过多层组装，厚度可以达到0550纳米；所说的固定掩膜是指将一层有机材料纳米粒子包括聚甲基丙烯酸、聚对乙烯基苯磺酸等或无机材料纳米粒子包括贵金属纳米粒子，如金、银、铜等，及半导。
13、体纳米粒子，如CDTE、CDS、ZNO、FE2O3、FE3O4等通过物理或化学吸附作用覆盖在基片表面和模板表面；所说的除去模板的方法包括化学腐蚀和物理刻蚀，化学腐蚀是指用化学试剂如氯仿对模板进行溶解或者反应氯仿分子可以渗透过掩膜层，腐蚀掉模板材料，模板上的掩膜层随着模板材料的消除随之脱落，物理刻蚀是指利用等离子技术等对模板进行消除；所说的静电自组装是指基于带相反电荷的物质聚电解质和纳米粒子的静电吸引和以此为驱动力的组装方法。步骤E所说的在掩膜边缘处露出的聚电解质层上组装与掩膜纳米粒子不同种类的纳米粒子为有机材料纳米粒子或无机材料纳米粒子，有机材料纳米粒子为聚甲基丙烯酸或聚对乙烯基苯磺酸，无机材。
14、料纳米粒子为金、银、铜、CDTE、CDS、ZNO、FE2O3或FE3O4。0012在上面实验步骤基础上，进一步可以利用化学腐蚀或物理刻蚀的方法除去掩膜，仅留下纳米粒子沿掩膜边缘处的组装体。0013本发明提出了一种在特定的位点进行组装的方法，可以解决一些在微结构边缘处放置纳米粒子的困难。本发明对目前以光刻技术和压印技术为主体的微、纳米加工技术是有利的补充，可以在微结构上以纳米粒子来镶边，从而丰富微结构的功能，对小型化和微型化器件的制备具有潜在的应用。附图说明0014图1本发明所述在掩膜的边缘处实现纳米粒子表面诱导自组装的过程示意图；其中，步骤A在基片上固定周期性条状结构模板，模板宽为10微米，模。
15、板周期为20微米；步骤B在基片和模板表面吸附聚电解质化合物，厚度为15纳米；步骤C在聚电解质化合物层的表面覆盖金纳米粒子掩膜，掩膜厚度17纳米；步骤D利用化学腐蚀或物理刻蚀的方法对模板材料进行除去，除去模板材料后，原来附着在模板上的物质失去依附物后随之脱落，而直接吸附在基片表面的聚电解质层和其上的金纳米粒子掩膜则被保留；步骤E利用掩膜边缘处裸露的聚电解质吸附银纳米粒子；步骤F化学腐蚀或物理刻蚀方法除去掩膜材料。说明书CN102020241ACN102020255A3/4页60015图2实施例1所述的以聚苯乙烯微球直径为600纳米单层有序结构为模板、金纳米粒子平均直径为17纳米为掩膜、PDDA为。
16、聚电解质、把银纳米粒子平均直径为45纳米在掩膜边缘处进行组装的过程示意图；0016各部分名称为玻璃基片上的聚苯乙烯微球模板1，在模板表面覆盖的PDDA聚电解质2，在聚电解质表面覆盖的金纳米粒子掩膜3，聚电解质和掩膜的双层结构与裸露基片表面的交替排列4，在金纳米粒子掩膜边缘组装银纳米粒子5；各步骤同图1。0017图3实施例1的重要样品的扫描电镜照片和原子力显微镜图片；A和B分别为实施例1中图2所示1和3样品的扫描电镜照片，A为直径为600纳米的聚苯乙烯微球单层有序结构模板的扫描电镜照片，B为表面覆盖了PDDA聚电解质膜和金纳米粒子平均直径17纳米掩膜的模板的扫描电镜照片，其中球上的浅色斑点为金纳。
17、米粒子；C和D分别为实施例1中图2所示4和5样品得到的结构的原子力显微镜图片，C为裸露基片表面圆形区域，直径325纳米和双层结构表面聚电解质膜与掩膜交替排列的结构的原子力显微镜图片，C左上图为原子力显微镜垂直俯视图，C右上图为原子力显微镜45度角俯视图，这两图中深色圆形区域为裸露基片表面，浅色区域为双层结构覆盖部分，C下图为原子力显微镜的截面高度分析图，明确显示了裸露基片表面和双层结构表面交替排列的结构，D为在双层结构聚电解质膜与掩膜边缘吸附银纳米粒子平均直径45纳米的原子力显微镜图片，D中三个图与C中三个图的表征方法相同，在D左上图和D右上图中颜色最浅的斑点位于圆形区域边缘处为银纳米粒子，D。
18、下图曲线的尖峰部分代表了银纳米粒子的截面高度。0018图4实施例2中步骤F得到的样品的扫描电镜照片；0019实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例2选用平均直径19纳米的银纳米粒子作为掩膜，选用金纳米粒子平均直径17纳米作为在掩膜边缘处的组装材料，得到的是金纳米粒子组成的圆环结构圆环平均直径325纳米。具体实施方式0020实施例10021以600纳米聚苯乙烯微球为模板、17纳米金纳米粒子为掩膜、PDDA为聚电解质、45纳米银纳米粒子为组装材料的组装过程。0022A采用汽液界面组装的方法汽液界面组装的方法参见文献CHEMRESCHINESEU2007，23，712714微球排列为二维六方密堆积。
19、结构，三个球之间有个类似三角形的空隙在玻璃基片上固定聚苯乙烯微球模板聚苯乙烯微球可商业采购，平均直径600纳米，形成单层有序结构聚苯乙烯微球二维六方密堆积单层结构；0023B在步骤A制备的样品的表面结构上沉积PDDA聚电解质，PDDA本身带有正电荷，通过把步骤A制备的样品直接浸泡的质量分数为05的PDDA水溶液中即可完成PDDA的沉积；0024C在步骤B制备的样品的表面结构上组装的金纳米粒子掩膜金纳米粒子平均直径17纳米，合成方法参见文献NATUREPHYSSCI1973，241，2022合成后溶液直接使用，无需处理，金纳米粒子本身表面带有负电荷，可以直接吸附到PDDA分子表面，方法是步骤B制。
20、备的样品直接浸入到合成的金纳米粒子溶液中6小时；说明书CN102020241ACN102020255A4/4页70025D除去由步骤C制备的样品中引入的聚苯乙烯胶体微球模板，采用在氯仿中超声1分钟的方法；0026E利用步骤D制备的样品中掩膜边界或边缘处裸露的聚电解质进行纳米粒子的组装，组装材料的为银纳米粒子银纳米粒子平均直径45纳米，合成方法参见文献JPHYSCHEM1982，86，33913395合成后溶液直接使用，无需处理，银纳米粒子本身带负电荷，方法是步骤D制备的样品直接浸入到合成的银纳米粒子溶液中45分钟，从而实现在掩膜边缘处进行纳米粒子的组装。0027实施例20028以600纳米聚苯。
21、乙烯微球为模板、19纳米银纳米粒子为掩膜、PDDA为聚电解质、17纳米金纳米粒子为组装材料的组装过程。0029如同实施例1的AE步骤操作，不同的是步骤C中采用19纳米银纳米粒子为掩膜；步骤E中采用17纳米金纳米粒子为组装材料；另外，实施例2比实施例1多一步骤F，如下0030F把步骤E制备的样品在稀硫酸中浸泡5分钟，除去银纳米粒子掩膜，在聚电解质边缘处得到金纳米粒子的环状组装体。说明书CN102020241ACN102020255A1/4页8图1图2说明书附图CN102020241ACN102020255A2/4页9说明书附图CN102020241ACN102020255A3/4页10图3说明书附图CN102020241ACN102020255A4/4页11图4说明书附图CN102020241A。