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CN103204458A - 一种基于紫外光固化驻极体的自组装方法 - Google Patents

一种基于紫外光固化驻极体的自组装方法 Download PDF

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CN103204458A CN201310082719XA CN201310082719A CN103204458A CN 103204458 A CN103204458 A CN 103204458A CN 201310082719X A CN201310082719X A CN 201310082719XA CN 201310082719 A CN201310082719 A CN 201310082719A CN 103204458 A CN103204458 A CN 103204458A
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Abstract

一种基于紫外光固化驻极体的自组装方法，先利用光刻、溅射、剥离工艺制备出具有一定图形结构的导电金模板，对其进行表面处理，再选取透明导电材料作为基材，在基材上制备微米级别的UV光固化聚合物材料，然后通过施加在导电基材和导电金模板之间的外电场在UV光固化聚合物表面诱导出图形化电荷，在保持电压不变的情况下利用紫外光从底部透过透明导电基材照射UV光固化聚合物材料，使聚合物材料固化的同时冻结外电场诱导出的图形化电荷，最后撤去外加电压，将导电金模板从紫外光固化驻极体表面揭下，利用紫外光固化驻极体的图形化电荷产生的静电力实现多种纳米材料的自组装，可广泛应用在光电子、生物制药、气体传感器、光伏器件等许多领域。

Description

一种基于紫外光固化驻极体的自组装方法
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种基于紫外光固化驻极体的自组装方法。
背景技术
纳米材料自组装是新型结构制备中一种有效且重要的方法，主要用于合成许多新奇特性的纳米或微米尺度结构，广泛应用在光电子、生物制药、气体传感器、光伏器件等许多领域。在自组装过程中，原子、分子、颗粒以及其它建构体，由系统能量驱动，把它们自己组装成特殊功能结构。实现自组装的驱动力包括范德华力、氢键、静电力、表面张力、毛细管力等。其中，利用驻极体图形化电荷产生的静电力能够实现各种纳米材料自组装，包括金属微粒、固体电介质微粒、磁性非磁性粒子、有机无机粒子等。
目前，形成驻极体图形化电荷的方法通常是使用原子力显微镜、聚焦离子束、电子束、电晕放电等在驻极体材料上注入电荷或者使用热极化法在驻极体材料内部诱导出定向的偶极电荷等。然而，传统的制备方法存在很多不足之处：（1）加工效率低，例如，原子力加工速度慢，加工面积小；（2）工艺成本高，例如，聚焦离子束和电子束加工需要昂贵复杂的加工设备（3）加工条件苛刻，例如电晕放电需要高压，热极化法需要将材料加热到熔融状态。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于紫外光固化驻极体的自组装方法，能在常温下实现各种纳米材料自组装，降低加工成本的同时还提高了加工效率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于紫外光固化驻极体的自组装方法，包括以下步骤：
第一步，导电金模板的制备及处理：利用光刻、溅射、剥离工艺，在玻璃上加工出所需要的金图形结构，并对其进行表面处理，使其利于与UV光固化聚合物的脱模；
第二步，基材的选择及处理：采用FTO或ITO玻璃作为基材，利用匀胶机在其表面旋涂一层厚度为微米级别的UV光固化聚合物材料；
第三步，施加外电场在UV光固化聚合物表面诱导出图形化电荷：通过控制导电金模板与玻璃基底的距离小于UV光固化材料膜厚使导电金模板与UV光固化聚合物材料紧密接触，施加外接直流电源，导电金模板接电源的负极，基材的FTO或ITO玻璃接电源正极，电压调节范围在0-200V，持续2-10分钟，在UV光固化聚合物表面诱导出图形化电荷；
第四步，紫外光固化冻结外电场诱导出的图形化电荷：在保持电压不变的情况下利用紫外光从底部透过FTO或ITO玻璃照射UV光固化聚合物材料，在聚合物材料固化的同时冻结外电场诱导出的图形化电荷，紫外光强度为300-400mW/cm2；
第五步，撤去电压后脱模获得图形化电荷驻极体实现纳米材料的自组装：UV光固化聚合物材料固化后，撤去外加电压，将导电金模板从聚合物材料表面揭下，获得具有图形化电荷的紫外光固化驻极体，把具有图形化电荷的驻极体浸入粒子溶液中，利用图形化电荷产生的静电力实现纳米粒子自组装，最后把紫外光固化驻极体从粒子溶液中取出，获得与导电金模具图案对应的纳米粒子组装图。
所述的粒子溶液是通过把纳米至微米级的粒子颗粒，以2×1010-8×1011NPs/mL的浓度分散在一些低介电常数的非极性溶剂中，用磁力搅拌机搅拌6-10小时，超声清洗机超声20-60分钟使其均匀分散得到，粒子为二氧化硅或聚苯乙烯小球，低介电常数的非极性溶剂为Perfluorodecalin、Fluorinert FC-77或perfluorocarbon。
本发明采用紫外光固化驻极体获得图形化电荷实现多种纳米材料的自组装，工艺路线简单，不需要昂贵的加工设备及复杂的工艺控制，在常温低压下就可以实现，大大降低制造成本，提高了加工效率，形成的自组装结构，可广泛应用在光电子、生物制药、气体传感器、光伏器件等许多领域。
附图说明：
图1为本发明在玻璃基底上光刻出模板图案的示意图。
图2为本发明在光刻后的模板上溅射一层金导电层的示意图。
图3为本发明将溅射金的模板剥离得到导电金模具的示意图。
图4为本发明在基材旋涂一层UV光固化聚合物材料的示意图
图5为本发明使导电金模具与UV光固化聚合物材料紧密接触并施加外接电源示意图。
图6为本发明在外加电场下UV光固化聚合物表面形成图形化电荷并使用UV光固化冻结图案化电荷的示意图。
图7为本发明撤除外加电源后脱去导电金模板得到具有图形化电荷的紫外光固化驻极体的示意图。
图8为本发明利用紫外光固化驻极体进行纳米材料自组装过程的示意图。
图9为本发明获得的纳米材料组装结果的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种基于紫外光固化驻极体的自组装方法，包括以下步骤：
第一步，导电金模板的制备及处理：如图1所示，利用光刻工艺在玻璃基底1上制备出所需要的图形模板2，特征尺寸为w1、w2、h1,接着溅射一层厚度为h2的导电金层3，如图2所示，最后去除光刻胶，剥离得到图案化的导电金模板，如图3所示，并用C4F8对其进行表面处理，使其利于与UV光固化聚合物的脱模；
第二步，基材的选择及处理：采用FTO或ITO玻璃4作为基材，利用匀胶机在其表面旋涂一层厚度为微米级别的UV光固化聚合物材料5，如图4所示；
第三步，施加外电场在UV光固化聚合物表面诱导出图形化电荷：如图5所示，通过控制导电金模板与玻璃基底4的距离h3小于UV光固化材料5膜厚使导电金模板与UV光固化聚合物材料5紧密接触，施加外接直流电源6，导电金模板接电源6的负极，基材的FTO或ITO玻璃4接电源6正极，电压调节范围在0-200V，持续2-10分钟，在UV光固化聚合物5表面诱导出图形化电荷7，如图5所示；
第四步，紫外光固化冻结外电场诱导出的图形化电荷：如图6所示，在保持电压6不变的情况下利用紫外光8从底部透过FTO或ITO玻璃4照射UV光固化聚合物材料5，在聚合物材料5固化的同时冻结外电场诱导出的图形化电荷7，紫外光8强度为300-400mW/cm2；
第五步，撤去电压后脱模获得图形化电荷驻极体实现多种纳米材料自组装：如图7所示，UV光固化聚合物材料5固化后，撤去外加电压6，将导电金模板从聚合物材料5表面揭下，获得具有图形化电荷7的紫外光固化驻极体9，把具有图形化电荷7的驻极体9浸入粒子溶液11中，利用图形化电荷产生的静电力实现纳米粒子10自组装，如图8所示，最后把紫外光固化驻极体从粒子溶液11中取出，获得与导电金模具图案对应的纳米粒子组装图12，如图9所示。
所述的粒子溶液是通过把纳米至微米级的粒子颗粒，以2×1010-8×1011NPs/mL的浓度分散在一些低介电常数的非极性溶剂中，用磁力搅拌机搅拌6-10小时，超声清洗机超声20-60分钟使其均匀分散得到，粒子为二氧化硅或聚苯乙烯小球，低介电常数的非极性溶剂为Perfluorodecalin、Fluorinert FC-77或perfluorocarbon。
上述方法可以得到的图形化电荷尺寸为：光刻得到的图案尺寸w1、w2对应于紫外光固化驻极体表面获得的图形化粒子尺寸（纳米至微米级），溅射的金导电层厚度h2对应于紫外光固化驻极体结构高度h4（纳米至微米级），导电金模具与玻璃基底的距离h3对应于玻璃基底上紫外光固化驻极体的厚度（微米级）。
本发明实现纳米材料自组装的原理为：将具有一定图形结构的导电金模板与UV光固化聚合物材料紧密接触，在外加电场作用下，一方面在聚合物材料内部诱导出定向排列的偶极电荷，另一方面捕获聚合物材料内部自由移动的杂质离子或者电子，从而形成与导电金模板对应的图形化电荷，在紫外光作用下，UV光固化聚合物固化成型的同时也冻结了外电场诱导出的图形化电荷，获得具有图形化电荷的紫外光固化驻极体，从而利用极体体图形化电荷产生的静电力实现多种纳米材料的自组装。
本发明提出了一种在外电场作用下，利用紫外光固化驻极体内部图形化电荷实现多种纳米材料自组装的新型加工方法，结合了纳米压印成型的技术优势，在常温下能够同时获得大面积的结构复形和图形化电荷分布，克服了传统制备方法中复杂的工艺过程及昂贵加工设备的限制，同时，可通过改变导电金模板的图形来改变电场分布，从而实现不同结构的纳米材料自组装。

Claims (2)

1.一种基于紫外光固化驻极体的自组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，导电金模板的制备及处理：利用光刻、溅射、剥离工艺，在玻璃上加工出所需要的金图形结构，并对其进行表面处理，使其利于与UV光固化聚合物的脱模；
第二步，基材的选择及处理：采用FTO或ITO玻璃作为基材，利用匀胶机在其表面旋涂一层厚度为微米级别的UV光固化聚合物材料；
第三步，施加外电场在UV光固化聚合物表面诱导出图形化电荷：通过控制导电金模板与玻璃基底的距离小于UV光固化材料膜厚使导电金模板与UV光固化聚合物材料紧密接触，施加外接直流电源，导电金模板接电源的负极，基材的FTO或ITO玻璃接电源正极，电压调节范围在0-200V，持续2-10分钟，在UV光固化聚合物表面诱导出图形化电荷；
第四步，紫外光固化冻结外电场诱导出的图形化电荷：在保持电压不变的情况下利用紫外光从底部透过FTO或ITO玻璃照射UV光固化聚合物材料，在聚合物材料固化的同时冻结外电场诱导出的图形化电荷，紫外光强度为300-400mW/cm2；
第五步，撤去电压后脱模获得图形化电荷驻极体实现纳米材料的自组装：UV光固化聚合物材料固化后，撤去外加电压，将导电金模板从聚合物材料表面揭下，获得具有图形化电荷的紫外光固化驻极体，把具有图形化电荷的驻极体浸入粒子溶液中，利用图形化电荷产生的静电力实现纳米粒子自组装，最后把紫外光固化驻极体从粒子溶液中取出，获得与导电金模具图案对应的纳米粒子组装图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的粒子溶液是通过把纳米至微米级的粒子颗粒，以2×1010-8×1011NPs/mL的浓度分散在一些低介电常数的非极性溶剂中，用磁力搅拌机搅拌6-10小时，超声清洗机超声20-60分钟使其均匀分散得到，粒子为二氧化硅或聚苯乙烯小球，低介电常数的非极性溶剂为Perfluorodecalin、Fluorinert FC-77或perfluorocarbon。
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