一种大面积各向异性有序纳米阵列及其制备方法

1.本发明涉及纳米粒子自组装领域，具体涉及一种大面积各向异性有序纳米阵列及其制备方法。

背景技术：

2.与球形纳米粒子(nps)相比，各向异性nps可以展现出形状依赖的光学、磁学和电学性能。比如，金纳米棒拥有横向和纵向两种表面等离子体共振模式，具有偏振依赖的光学响应特性；磁纳米棒的纵向轴相对于它的横向轴更容易被磁化，且倾向于与外部磁场方向对齐排列。以这些各向异性纳米粒子作为结构单元，采用一定的技术手段构筑成周期有序的阵列结构，可以获得丰富的集体电磁性能。特别地，非紧密堆积的各向异性纳米粒子阵列已经在诸多领域如全息技术、光学透镜和手性检测等显示了重要的应用价值。制备这类纳米粒子阵列的常见方法主要有两种：“自上而下”的光刻和“自下而上”的自组装。相对于传统的光刻技术，胶体自组装具有独特的优势，如操作灵活、成本低廉、大面积制备等。
3.尽管如此，单一的自组装技术仍然无法实现非紧密堆积、有序且各向异性的阵列结构的可控制备，通常需要与传统的光刻技术配合使用，其基本思路是：采用光刻技术在基质上制备出周期性的“地形陷阱”，然后借助毛细作用力、电场力或dna识别作用将各向异性的nps置于这些陷阱中。然而，这些方法需要纳米尺度的陷阱和各向异性的nps在三维空间中的精确匹配，这使得它们在实际应用中显得并不那么灵活。如何高精度、灵活地控制各向异性nps在基质上的位置和取向仍然是一个巨大的挑战。

技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可高精度、灵活地控制各向异性nps在基质上的位置和取向，工艺简单，价格低廉，适合规模化生产的大面积各向异性有序纳米阵列及其制备方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：
7.将各向异性的磁性纳米粒子进行改性，使磁性纳米粒子表面带负电荷，得到带负电荷的纳米粒子溶液；
8.将基质依次进行硅烷改性和纳米球光刻技术处理，使基质表面形成带正电荷的周期性位点，得到图案化基质；
9.将图案化基质置于带负电荷的纳米粒子溶液中，并施加一个磁场，吸附取向后，即可得到大面积各向异性有序纳米阵列。
10.进一步地，所述各向异性的磁性纳米粒子的形状包括椭球体、棱柱体或菱面体，材质为铁系、钴系或镍系材料，直径为20-100nm，长度为50-800nm。
11.比如，铁氧化物、钴氧化物、镍氧化物等。
12.进一步地，改性过程中使用的改性剂包括羧基化合物、磷化合物或羟基化合物。具
体包括聚丙烯酸、次磷酸钠或葡聚糖。
13.进一步地，所述的基质包括硅片或石英片。
14.进一步地，硅烷改性中使用的硅烷包括氨基硅烷偶联剂。
15.进一步地，所述的纳米球为聚苯乙烯纳米球，尺寸为200-1000nm。
16.进一步地，形成图案化基质的具体过程包括以下步骤：
17.(1)将基质置于硅烷溶液中，反应后，干燥，完成硅烷改性；
18.(2-1)将纳米球分散到溶剂中，制备出纳米球溶液；
19.(2-2)将纳米球溶液注射形成致密的单层纳米球膜，并转移至硅烷改性的基质上；
20.(2-3)将基质依次进行加热、等离子体刻蚀、清洗后，完成纳米球光刻技术处理，形成具有周期性位点的图案化基质。
21.进一步地，所述的硅烷溶液包括硅烷的醇溶液，所述的溶剂包括醇和/或水。
22.进一步地，所述磁场的强度为600-6000gs，吸附取向的时间为2-12h。
23.一种如上所述方法制备的大面积各向异性有序纳米阵列。
24.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
25.(1)本发明可高精度、灵活地控制各向异性nps在基质上的位置和取向；
26.(2)本发明制备的阵列结构具有依赖于纳米粒子取向的集体响应特性，方法简单，价格低廉，适合大面积生产。
附图说明
27.图1为实施例中各向异性有序纳米阵列的制备流程图；
28.图2为实施例2中各向异性有序纳米阵列的sem图，其中图a为低倍数sem图，图b为高倍数sem图，图a中的插图为有序纳米阵列的宏观光学照片。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。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。
30.一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
31.(1)将各向异性的磁性纳米粒子进行改性，使其表面带负电荷；各向异性为椭球体、棱柱体、菱面体中的一种；所述的磁性纳米粒子为铁系、钴系、镍系材料中的一种，纳米粒子的直径为20-100nm，长度为50-800nm；所述的纳米粒子的改性剂为羧基化合物、磷化合物、羟基化合物中的一种。
32.(2)将基质依次进行硅烷改性和纳米球光刻技术处理，使其表面形成带正电荷的周期性位点；基质为硅片或石英片中的一种；所述的硅烷为氨基硅烷偶联剂；所述的纳米球为聚苯乙烯纳米球，尺寸为200-1000nm。
33.(3)将上述图案化基质置于带负电荷的纳米粒子溶液中，施加一个水平方向的磁场，吸附取向后即可得到各向异性的有序纳米阵列。磁场的强度为600-6000gs；所述的吸附取向的时间为2-12h。
34.实施例1
35.一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：
36.将直径20nm、长度50nm的co3o4纳米棱柱体置于葡聚糖溶液中，搅拌12h。将硅片置于含有3-氨丙基三甲氧基硅烷(体积分数为0.2％)的乙醇溶液中，反应30min后，用乙醇冲洗干净，放入120℃烘箱中烘干1.5h。将尺寸为200nm的聚苯乙烯(ps)纳米球分散到乙醇和去离子水的混合溶液中(体积比为1:1)，制备出质量分数为5％的ps纳米球溶液，通过注射泵将ps纳米球溶液注入水面，使其形成致密的单层ps纳米球膜，然后将其转移到硅片表面。将上述硅片置于110℃烘箱中烘干5min，用等离子体清洗机处理60s，然后放入乙醇中并超声去除硅片上的ps纳米球，形成周期性的位点结构。将具有周期性位点的硅片浸入co3o4纳米棱柱体溶液中，并置于两块磁铁中间，磁场强度设置为6000gs，静置12h后，取出硅片并用去离子水冲洗干净，得到各向异性有序纳米阵列。
37.实施例2
38.一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：
39.将直径90nm、长度326nm的fe3o4纳米椭球体置于聚丙烯酸溶液中，搅拌12h。将硅片置于含有3-氨丙基三甲氧基硅烷(体积分数为0.2％)的乙醇溶液中，反应30min后，用乙醇冲洗干净，放入120℃烘箱中烘干1.5h。将尺寸为700nm的ps纳米球分散到乙醇和去离子水的混合溶液中(体积比为1:1)，制备出质量分数为5％的ps纳米球溶液，通过注射泵将ps纳米球溶液注入水面，使其形成致密的单层ps纳米球膜，然后将其转移到硅片表面。将上述硅片置于110℃烘箱中烘干5min，用等离子体清洗机处理60s，然后放入乙醇中并超声去除硅片上的ps纳米球，形成周期性的位点结构。将具有周期性位点的硅片浸入fe3o4纳米椭球体溶液中，并置于两块磁铁中间，磁场强度设置为5800gs，静置8h后，取出硅片并用去离子水冲洗干净，得到各向异性有序纳米阵列。
40.实施例3
41.一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：
42.将直径100nm、长度800nm的nio纳米菱面体置于一水合次磷酸钠溶液中，搅拌12h。将石英片置于含有3-氨丙基三乙氧基硅烷(体积分数为0.2％)的乙醇溶液中，反应30min后，用乙醇冲洗干净，放入120℃烘箱中烘干1.5h。将尺寸为1000nm的ps纳米球分散到乙醇和去离子水的混合溶液中(体积比为1:1)，制备出质量分数为5％的ps纳米球溶液，通过注射泵将ps纳米球溶液注入水面，使其形成致密的单层ps纳米球膜，然后将其转移到石英片表面。将上述石英片置于110℃烘箱中烘干5min，用等离子体清洗机处理60s，然后放入乙醇中并超声去除石英片上的ps纳米球，形成周期性的位点结构。将具有周期性位点的石英片浸入nio纳米菱面体溶液中，并置于两块磁铁中间，磁场强度设置为600gs，静置2h后，取出石英片并用去离子水冲洗干净，得到各向异性有序纳米阵列。
43.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：

1.一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将各向异性的磁性纳米粒子进行改性，使磁性纳米粒子表面带负电荷，得到带负电荷的纳米粒子溶液；将基质依次进行硅烷改性和纳米球光刻技术处理，使基质表面形成带正电荷的周期性位点，得到图案化基质；将图案化基质置于带负电荷的纳米粒子溶液中，并施加磁场，吸附取向后，即可得到大面积各向异性有序纳米阵列。2.根据权利要求1所述的一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于，所述各向异性的磁性纳米粒子的形状包括椭球体、棱柱体或菱面体，材质为铁系、钴系或镍系材料，直径为20-100nm，长度为50-800nm。3.根据权利要求1所述的一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于，改性过程中使用的改性剂包括羧基化合物、磷化合物或羟基化合物。4.根据权利要求1所述的一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于，所述的基质包括硅片或石英片。5.根据权利要求1所述的一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于，硅烷改性中使用的硅烷包括氨基硅烷偶联剂。6.根据权利要求1所述的一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于，所述的纳米球为聚苯乙烯纳米球，尺寸为200-1000nm。7.根据权利要求1所述的一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于，形成图案化基质的具体过程包括以下步骤：(1)将基质置于硅烷溶液中，反应后，干燥，完成硅烷改性；(2-1)将纳米球分散到溶剂中，制备出纳米球溶液；(2-2)将纳米球溶液注射形成致密的单层纳米球膜，并转移至硅烷改性的基质上；(2-3)将基质依次进行加热、等离子体刻蚀、清洗后，完成纳米球光刻技术处理，形成具有周期性位点的图案化基质。8.根据权利要求7所述的一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于，所述的硅烷溶液包括硅烷的醇溶液，所述的溶剂包括醇和/或水。9.根据权利要求1所述的一种大面积各向异性有序纳米阵列的制备方法，其特征在于，所述磁场的强度为600-6000gs，吸附取向的时间为2-12h。10.一种如权利要求1-9任一项所述方法制备的大面积各向异性有序纳米阵列。

技术总结

本发明涉及一种大面积各向异性有序纳米阵列及其制备方法，该方法包括以下步骤：将各向异性的磁性纳米粒子进行改性，使磁性纳米粒子表面带负电荷，得到带负电荷的纳米粒子溶液；将基质依次进行硅烷改性和纳米球光刻技术处理，使基质表面形成带正电荷的周期性位点，得到图案化基质；将图案化基质置于带负电荷的纳米粒子溶液中，并施加一个磁场，吸附取向后，即可得到大面积各向异性有序纳米阵列。与现有技术相比，本发明制备的阵列结构具有依赖于纳米粒子取向的集体响应特性，方法简单，价格低廉，适合大面积生产。适合大面积生产。适合大面积生产。