一种用于制备胶体晶体的系统及胶体晶体的制备方法
【专利摘要】本发明一种用于制备胶体晶体的系统及胶体晶体的制备方法，属于胶体晶体制备方法领域。该系统包括：微球注射系统、红外波长热源、金属框架、样品凹槽、金属平台、螺纹轴、金属移动模块、聚四氟乙烯板和驱动电动机，驱动电动机设置在金属框架的左端，螺纹轴与驱动电动机连接，金属移动模块套在螺纹轴上，金属移动模块与金属平台连接，样品凹槽设置在金属平台上，聚四氟乙烯板固定在金属框架的上端并与样品凹槽相接触，所述的驱动电动机旋转驱动螺纹轴带动金属移动模块向右侧移动。本发明还提供一种胶体晶体的制备方法，改方法能够在较短的时间范围内组装出单一粒径及多粒径复合的胶体晶体模板，且得到的胶体晶体厚度可控、大面积有序。
【专利说明】一种用于制备胶体晶体的系统及胶体晶体的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于胶体晶体制备方法领域，具体涉及一种用于制备胶体晶体的系统及胶 体晶体的制备方法。
【背景技术】
[0002] 二十一世纪在光子领域中操控光子已成为核心的研究内容，胶体晶体因其特殊的 周期结构，可以作为模板制备反蛋白石结构光子晶体，为光功能材料的结构设计和性能优 化提供了优异手段。
[0003] 现有的制备胶体晶体常用的方法是垂直沉积法，此方法于1996年由Nagayama K 最先提出，该法是在基片上进行自组装，即简单地将基片垂直浸入含有单分散微球的胶体 溶液中，在基片和溶液表面形成弯液面，当溶剂蒸发时，弯液面下降，微球在毛细力作用下， 在基片表面自组装为周期排列结构，形成胶体晶体（DIMITROV A S，NAGAYAMA K. Continuous Convective, Assembling of Fine Particles into Two-DimensionalArrays on Solid Surfaces[J]. Langmuir, 1996, 12(5) :1303-1311.)。垂直沉积法的优点是：1.制备态的胶 体晶体有序度较高；2.通过胶体溶液的浓度，可控制胶体晶体层数；进而调控层数。
[0004] 尽管利用此方法自组装生长的胶体晶体品质较好，但也存在以下问题：1.自组装 生长周期较长；需要3-4天时间；2.生长面积受限，盛装胶体溶液的器皿直径决定了生长基 片的宽度；3.自组装生长条件苛刻，生长过程对温度和湿度等环境敏感；4.多粒径复合胶 体晶体难于制备。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有的胶体晶体的制备方法周期长、生长面积受限、多 粒径复合胶体晶体难制备及生长条件苛刻的问题，而提供一种用于制备胶体晶体的系统及 胶体晶体的制备方法。
[0006] 本发明首先提供一种用于制备胶体晶体的系统，该系统包括：微球注射系统、红外 波长热源、金属框架、样品凹槽、金属平台、螺纹轴、金属移动模块、聚四氟乙烯板和驱动电 动机，驱动电动机设置在金属框架的左端，螺纹轴的一端与驱动电动机连接，另一端与金属 框架连接，金属移动模块套在螺纹轴上，金属移动模块与金属平台连接，样品凹槽设置在金 属平台上，聚四氟乙烯板固定在金属框架的上端并与样品凹槽相接触，所述的驱动电动机 旋转驱动螺纹轴带动金属移动模块向右侧移动。
[0007] 本发明所述的系统还包括四颗水平螺丝，所述的四颗水平螺丝设置在金属平台 上，通过调节四颗水平螺丝调节样品凹槽和聚四氟乙烯板之间的距离。
[0008] 本发明所述的微球注射系统用于向样品凹槽内注射微球溶液。
[0009] 本发明所述的红外波长热源为红外线蒸发器。
[0010] 本发明所述的红外波长热源设置在距离样品凹槽10-15cm处。
[0011] 本发明所述的红外波长热源用于照射聚四氟乙烯板与样品凹槽之间形成的凹液 面。
[0012] 本发明还提供一种胶体晶体的制备方法，该方法包括：
[0013] 步骤一：制备及清洗样品凹槽，将样品凹槽固定在金属平台上，使样品凹槽右侧和 聚四氟乙烯板右侧对齐；
[0014] 步骤二：开启红外波长热源，使其能够照射聚四氟乙烯板与样品凹槽之间形成的 凹液面；
[0015] 步骤三：通过微球注射系统向样品凹槽内注射微球溶液，所述的注射速率为 5_20ul/min ;
[0016] 步骤四：开启驱动电动机，驱动电动机驱动螺纹轴带动金属移动模块向右侧移动， 同时向样品凹槽内注射微球溶液，当样品凹槽左端滑离聚四氟乙烯板时，关闭红外线蒸发 器、微球注射系统和驱动电动机，胶体晶体制备完成；所述的注射速率为l〇-25ul/min，金 属移动模块的移动速度为l-5mm/min。
[0017] 本发明所述的微球溶液是聚苯乙烯、Si02或PMMA微球溶液。
[0018] 本发明所述的聚苯乙烯微球的粒径为535. 4nm。
[0019] 本发明所述的步骤四中注射速率为20ul/min，金属移动模块的移动速度为2mm/ min〇
[0020] 本发明的工作原理
[0021] 本发明提供一种用于制备胶体晶体的系统及胶体晶体的制备方法，该方法通过将 单分散的微球乳液注入到样品凹槽中，微球乳液在疏水的聚四氟乙烯板和经过亲水处理的 基片之间形成弯液面，通过热光源辐照弯液面，同时移动固定样品凹槽的金属平台；当微球 乳液中水分的蒸发速度和样品凹槽平移速度达到动态平衡时，弯液面中的微球乳液在表面 张力和毛细力共同作用下进行自组装过程，形成规则排列的胶体晶体膜。
[0022] 本发明的有益效果
[0023] 本发明首先提供一种用于制备胶体晶体的系统，该系统能够快速有效的制备不同 尺寸的胶体晶体，且制备得到的胶体晶体表面平整，有序度高。
[0024] 本发明还提供一种胶体晶体的制备方法，和现有技术相对比，本发明的方法能够 在较短的时间范围内（15-30mins)组装出单一粒径及多粒径复合的胶体晶体模板，且得到 的胶体晶体厚度可控、面积可控、大面积有序，对外界环境要求低。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1为本发明用于制备胶体晶体的系统的整体示意图；
[0026] 图2为本发明用于制备胶体晶体的系统的局部放大图；
[0027] 图3为本发明实施例1制备的胶体晶体的外观图；
[0028] 图4为本发明实施例1制备的胶体晶体的表面Sffl图；
[0029] 图5为本发明实施例1制备的胶体晶体的截面SEM图；
[0030] 图6为本发明实施例2制备的胶体晶体的截面Sffl图；
[0031] 图7为对比例1制备的胶体晶体的截面SEM图；
[0032] 图8为对比例2制备的胶体晶体的截面SEM图。
[0033] 图中，1、微球注射系统，2、红外波长热源，3、弯液面，4、金属框架，5、有序胶体晶体 膜，6、样品凹槽，7、金属平台，8、水平螺丝，9、螺纹轴，10、金属移动模块，11、聚四氟乙烯板， 12、驱动电动机。
【具体实施方式】
[0034] 本发明首先提供一种用于制备胶体晶体的系统，如图1所示，该系统包括：微球注 射系统1、红外波长热源2、金属框架4、样品凹槽6、金属平台7、螺纹轴9、金属移动模块10、 聚四氟乙烯板11和驱动电动机12,所述的驱动电动机12设置在金属框架4的左端，螺纹轴 8的一端与驱动电动机12连接，另一端与金属框架4连接，金属移动模块10套在螺纹轴9 上，金属移动模块10的上端通过螺丝固定在金属平台7上，金属平台7用于固定样品凹槽 6,样品凹槽6设置在金属平台7上，聚四氟乙烯板11固定在金属框架4的上端并与样品凹 槽6相接触，所述的驱动电动机12旋转驱动螺纹轴9带动金属移动模块10向右侧移动，由 于金属移动模块10与金属平台7固定连接，当金属移动模块10向右侧移动时，带动金属平 台7上的样品凹槽6也向右侧移动。
[0035] 图2为本发明用于制备胶体晶体的系统的局部放大图，本发明所述的系统还包括 四颗水平螺丝8,所述的四颗水平螺丝8设置在金属平台7上，样品凹槽6固定于金属平台 7后，通过四颗水平螺丝8达到使样品凹槽6水平的目的，并且通过调节四颗水平螺丝8调 节样品凹槽6的槽口和聚四氟乙烯板11之间相接触，使聚四氟乙烯板11与样品凹槽6之 间形成的弯液面3。
[0036] 所述的微球注射系统1用于向样品凹槽6内注射微球溶液。所述的红外波长热源 1用于照射聚四氟乙烯板11与样品凹槽6之间形成的弯液面3 ;所述的红外波长热源优选 设置在距离样品凹槽l〇-15cm处，这样就能使红外波长热源蒸发限制在样品凹槽中的微球 粒子液体层，以防止液体表面的聚集，同时，这个距离可以有效调节蒸发速度，以适合薄膜 的生长，红外波长热源优选为红外线蒸发器。
[0037] 本发明所述的金属框架4优选采用铝合金材料，由于本发明中采用红外波长热 源，因此需用散热性能良好的材料。所述的金属移动模块10没有特殊限制，优选是采用型 号为LSP01-1A的注射泵改造而成。
[0038] 本发明还提供一种胶体晶体的制备方法，该方法包括：
[0039] 步骤一：制备及清洗样品凹槽6,将样品凹槽6固定在金属平台7上，使样品凹槽6 右侧和聚四氟乙烯板11右侧对齐；
[0040] 步骤二：开启红外波长热源2,待红外波长热源2达到稳定状态，将红外波长热源 2优选移至距离样品凹槽10-15cm处，使其能够照射聚四氟乙烯板11与样品凹槽6之间形 成的弯液面3 ;红外波长热源优选为红外线蒸发器；
[0041] 步骤三：通过微球注射系统1向样品凹槽6内注射微球溶液，使微球溶液填充样品 凹槽6与聚四氟乙烯板11右侧的空隙；所述的注射速率为5-20ul/min ;所述的微球溶液注 射量优选为20ul，浓度优选为10% (W/V);所述的微球溶液优选聚苯乙烯、Si02*PMMA微 球溶液，更优选为聚苯乙烯微球溶液，所述的聚苯乙烯微球的粒径优选为535. 4nm。
[0042] 步骤四：开启驱动电动机12,驱动电动机12驱动螺纹轴9带动金属移动模块10 向右侧移动，同时向样品凹槽6内注射溶液，所述的微球溶液的浓度为5% (W/V)，样品凹槽 6与聚四氟乙烯板11之间形成弯液面3 ;当样品凹槽6左端滑离聚四氟乙烯板11时，关闭 红外线蒸发器2、微球注射系统1和驱动电动机12,胶体晶体制备完成；所述的注射速率为 10-25ul/min，金属移动模块10的移动速度为l-5mm/min。优选的是，所述的步骤四中注射 速率为20ul/min，金属移动模块的移动速度为2mm/min。
[0043] 本发明要严格控制注射速率和移动速度的范围，如果注射速率及移动速率超出上 述参数范围，弯液面处的胶体乳液的蒸发速率与注射乳液量不能达到平衡，大粒子沉淀过 快，导致胶体膜很难形成有序结构。
[0044] 本发明步骤一所述的制备和清洗样品凹槽6的方法优选如下：
[0045] 1、切割几何尺寸为40*30mm的ΙΤ0玻璃若干块作为基板，并确保其导电性；
[0046] 2、将基板用丙酮浸泡24小时后，放入盛装乙醇的烧杯中，将烧杯置于超声振荡清 洗机内，清洗30mins ;然后放入装有去离子水的烧杯中，将其置于超声振荡清洗机中；重复 上述过程3次；
[0047] 3、选取2中较为干净的基板，置于等离子刻蚀机内，开启等离子刻蚀机真空泵，待 等离子刻蚀机内达到真空状态，向刻蚀机内通入纯净空气，调节刻蚀机电压，待气体辉光后 lOmins，关闭刻蚀机取出基板；
[0048] 4、取0· 1mm厚的单面具有粘性的聚四氟乙烯薄膜，切割成长40mm，宽30mm向内延 展1mm的回字图形，将此薄膜粘到3得到的基板上，样品凹槽制备完成。
[0049] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明，实施例中使用的聚苯乙烯微 球为武汉华科微科科技有限责任公司生产的聚苯乙烯微球；使用的聚苯乙烯微球注射系统 为LSP01-1A的注射泵，采用上海玻利鸽工贸有限公司生产的lOOOul微量进样器作为注射 组件。
[0050] 实施例1
[0051] 步骤一：制备及清洗样品凹槽6,将样品凹槽6固定在金属平台7上，使样品凹槽6 右侧和聚四氟乙烯板11右侧对齐；
[0052] 步骤二：开启红外线蒸发器2,待红外线蒸发器2达到稳定状态，将红外蒸发器移 至距离样品凹槽l〇-15cm处，使其能够照射聚四氟乙烯板11与样品凹槽6之间形成的弯液 面3 ;
[0053] 步骤三：以注射速率为5ul/min向样品凹槽6内注射20ul浓度为10%的聚苯乙 烯微球溶液，使聚苯乙烯微球溶液填充样品凹槽6与聚四氟乙烯板11右侧的空隙；
[0054] 步骤四：开启驱动电动机12,驱动电动机12驱动螺纹轴9带动金属移动模块10向 右侧移动，同时向样品凹槽6内注射聚苯乙烯溶液，所述的聚苯乙烯微球溶液的浓度为5% (W/V)，样品凹槽6与聚四氟乙烯板11之间形成弯液面3 ;当样品凹槽6左端滑离聚四氟乙 烯板11时，关闭红外线蒸发器2、微球注射系统1和驱动电动机12,胶体晶体制备完成；所 述的注射速率为20ul/min，金属移动模块10的移动速度为2mm/min。实施例1得到的胶体 晶体的粒径为535nm。
[0055] 图3为本发明实施例1制备的胶体晶体的外观图，从图中可以看出，本发明采用快 速生长法制备的胶体晶体整体形貌，可见有序度结构出现。
[0056] 图4为本发明实施例1制备的胶体晶体的表面Sffl图，从图中可以看出，本发明的 聚苯乙烯微球排列规则整齐，有序度高。
[0057] 图5为本发明实施例1制备的胶体晶体的截面SEM图，从图中可以看出，本发明的 聚苯乙烯微球排列规则整齐，有序度高；且成单层球排列。
[0058] 实施例2
[0059] 与实施例1所不同的是，注射速率设置为15ul/min，其余步骤和条件同实施例1。
[0060] 实验结果表明，当注射速率在15ul/min时，本发明形成有序胶体晶体样品完整度 较好，样品表面出现裂痕较少，与实施例1胶体晶体样品差别较小，图6为本发明实施例2 制备的胶体晶体的表面SEM图，从图中可以看出，本发明的聚苯乙烯微球排列规则整齐，有 序度1?。
[0061] 实施例3
[0062] 与实施例1所不同的是，注射速率设置为10ul/min，金属移动模块10的移动速度 为5mm/min，其余步骤和条件同实施例1。
[0063] 实验结果表明，当注射速率设置为10ul/min，金属移动模块10的移动速度为5_/ min，本发明形成有序胶体晶体样品完整度较好，样品表面出现裂痕较少，聚苯乙烯微球排 列规则整齐，有序度高。
[0064] 实施例4
[0065] 与实施例1所不同的是，注射速率设置为25ul/min，金属移动模块10的移动速度 为lmm/min，其余步骤和条件同实施例1。
[0066] 实验结果表明，当注射速率设置为25ul/min，金属移动模块10的移动速度为1_/ min，本发明形成有序胶体晶体样品完整度较好，样品表面出现裂痕较少，聚苯乙烯微球排 列规则整齐，有序度高。
[0067] 对比例1
[0068] 与实施例1所不同的是，金属移动模块10的移动速度为7mm/min，其余步骤和条件 同实施例1。
[0069] 实验结果表明，移动速率在7mm/min,形成有序胶体晶体样品对比于实施例1，样 品有序度较差，且胶体晶体样品表面明显裂痕。图7为对比例1制备的胶体晶体的表面SEM 图，从图中可以看出，当移动速度较快时，聚苯乙烯微球排列无序。
[0070] 对比例2
[0071] 与实施例1所不同的是，注射速率设置为30ul/min，其余步骤和条件同实施例1。
[0072] 实验结果表明，注射速率设置为30ul/min,形成有序胶体晶体样品对比于实施例 1，样品有序度较差，且胶体晶体样品表面明显裂痕。图8为对比例2制备的胶体晶体的表 面SEM图，从图中可以看出，当注射速率较快时，聚苯乙烯微球排列只有部分有序。
[0073] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对 于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行 若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0074] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【权利要求】
1. 一种用于制备胶体晶体的系统，其特征在于，该系统包括：微球注射系统（1)、红外 波长热源（2)、金属框架（4)、样品凹槽（6)、金属平台（7)、螺纹轴（9)、金属移动模块（10)、 聚四氟乙烯板（11)和驱动电动机（12)，驱动电动机（12)设置在金属框架（4)的左端，螺 纹轴（9)的一端与驱动电动机（12)连接，另一端与金属框架（4)连接，金属移动模块（10) 套在螺纹轴（9)上，金属移动模块（10)与金属平台（7)连接，样品凹槽（6)设置在金属平 台（7)上，聚四氟乙烯板（11)固定在金属框架（4)的上端并与样品凹槽（6)相接触，所述 的驱动电动机（12)旋转驱动螺纹轴（9)带动金属移动模块（10)向右侧移动。
2. 根据权利要求1所述的一种用于制备胶体晶体的系统，其特征在于，所述的系统还 包括四颗水平螺丝（8)，所述的四颗水平螺丝（8)设置在金属平台（7)上，通过调节四颗水 平螺丝⑶调节样品凹槽（6)和聚四氟乙烯板（11)之间的距离。
3. 根据权利要求1所述的一种用于制备胶体晶体的系统，其特征在于，所述的微球注 射系统（1)用于向样品凹槽（6)内注射微球溶液。
4. 根据权利要求1所述的一种用于制备胶体晶体的系统，其特征在于，所述的红外波 长热源（2)为红外线蒸发器。
5. 根据权利要求1所述的一种用于制备胶体晶体的系统，其特征在于，所述的红外波 长热源（2)设置在距离样品凹槽（6)10-15cm处。
6. 根据权利要求1、4、或5任何一项所述的一种用于制备胶体晶体的系统，其特征在 于，所述的红外波长热源（2)用于照射聚四氟乙烯板（11)与样品凹槽（6)之间形成的凹液 面。
7. -种胶体晶体的制备方法，其特征在于，该方法包括： 步骤一：制备及清洗样品凹槽￠)，将样品凹槽￠)固定在金属平台（7)上，使样品凹 槽（6)右侧和聚四氟乙烯板（11)右侧对齐； 步骤二：开启红外波长热源（2)，使其能够照射聚四氟乙烯板（11)与样品凹槽（6)之 间形成的凹液面； 步骤三：通过微球注射系统（1)向样品凹槽￠)内注射微球溶液，所述的注射速率为 5_20ul/min ; 步骤四：开启驱动电动机（12)，驱动电动机（12)驱动螺纹轴（9)带动金属移动模块 (10)向右侧移动，同时向样品凹槽（6)内注射微球溶液，当样品凹槽（6)左端滑离聚四氟乙 烯板（11)时，关闭红外波长热源（2)、微球注射系统（1)和驱动电动机（12)，胶体晶体制备 完成；所述的注射速率为l〇_25ul/min，金属移动模块的移动速度为l-5mm/min。
8. 根据权利要求7所述的一种胶体晶体的制备方法，其特征在于，本发明所述的微球 溶液是聚苯乙烯、Si02或PMMA微球溶液。
9. 根据权利要求8所述的一种胶体晶体的制备方法，其特征在于，所述的聚苯乙烯微 球的粒径为535. 4nm。
10. 根据权利要求7所述的一种胶体晶体的制备方法，其特征在于，所述的步骤四中注 射速率为20ul/min，金属移动模块的移动速度为2mm/min。
【文档编号】C30B5/00GK104088008SQ201410310067
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】孟祥东, 鲁铭, 李海波, 于兆亮, 华杰, 曲晓慧, 李维岩 申请人:吉林师范大学