厚度可控的高質(zhì)量蛋白石薄膜的制備

1、厚度可控的高質(zhì)量蛋白石薄膜的制備浸漬的方法是制作三維膠體晶體薄膜。薄膜制作的厚度，該方法可以精確控制從一層到幾數(shù)萬層通過控制粒子濃度和膜的形成速度。實驗結(jié)果表明,該領(lǐng)域形成一個面心立方結(jié)構(gòu)，薄膜可以擴展厘米尺寸單晶。緒論單分散的領(lǐng)域自組裝成有序三維結(jié)構(gòu)最近引起了極大關(guān)注。1-17這樣的物質(zhì)被稱為膠體晶體或蛋白石。膠體晶體具有獨特屬性的光傳播和料應(yīng)用在光學設(shè)備(如光子禁帶晶體。連這些應(yīng)用程序，這是至關(guān)重要的制造可控的高質(zhì)量的膠體晶體薄膜厚度。單分散的顆粒在重力下的自然沉降是最簡單的方法制造。22在重力和溶劑里的顆粒沉淀自我組裝形成一個立方裝得滿滿的薄膜(ccp)結(jié)構(gòu)。沉積法的主要缺點是，它很少控

2、制頂部表面的形態(tài)和數(shù)量的層的3 D晶體陣列。5需要長時間(幾周到幾個月)亞微米尺寸粒子得到完全解決。有效地制造高質(zhì)量的膠體晶體的薄膜，很多方法，利用電場的力。10，23氣體或液體的流動，6，7和毛細力開發(fā)組裝的粒子形成均勻的膠體晶體薄膜。4在這些垂直沉積法在Colvin課題組，利用毛細管力作用，提供了一個相對簡單的方法來制作高質(zhì)量的膠體晶體薄膜。4 圖1。大量的薄膜制作技術(shù)。浸漬裝置是自動化階段。步進電機的移動速度正是由電腦控制的。垂直沉積法本質(zhì)上是類似于Nagayama的方法，24,25，主要是開發(fā)和優(yōu)化生產(chǎn)為目的的二維單層的薄膜。在垂直沉積法、襯底垂直首次沉浸到一個包含單分散的懸浮球體。在

3、蒸發(fā)的溶劑,溶劑的表面向下移動和薄膜沉積到襯底的溶劑表面下降。4在他的方法，因為溶劑的蒸發(fā)推導控制溶劑表面粒子的在蒸發(fā)過程中濃度發(fā)生變化，這可能對膜厚的影響。為了解決這個問題,我們的膠態(tài)晶體薄膜通過提高襯底的懸掛在一個恒定的速度代替依賴溶劑的蒸發(fā)。它將表明，面心立方(fcc)膠體晶體薄膜與統(tǒng)一的顏色可以用這種方法制作的。薄膜的厚度可以控制從一層幾個數(shù)萬層通過改變粒子的濃度或提升的速度。因為在懸浮顆粒的濃度幾乎不變，統(tǒng)一的薄膜延伸到幾厘米。實驗過程材料和設(shè)備。單分散的聚苯乙烯和熒光不同直徑的球體從Duke Scientific Corporation (美國)和Interfacial Dynam

4、ics Corp. (美國)。熒光粒子是來自Polysciences Inc.(美國) 的一個產(chǎn)品 ，試劑質(zhì)量硫酸(95%)和過氧化氫(30%)和光化學(日本)從kouichi iwama說道。滑動玻片，玻片產(chǎn)品從磐玻璃，Inc .(J跨越山川)。去離子水是用于實驗。浸漬機是自動化階段由計算機控制(圖1)。浸漬速度可以變化超過了通用電氣0.1 -70µm / s。紫外可見光譜被記錄在一個日本島津公司模型uv - 3100電腦分光光度計。掃描電子顯微鏡(SEM)觀察?；准捌涮幚怼Ｓ糜趯嶒灥妮d玻片，玻片首次治療解決方案包含30%過氧化氫和70%硫酸一夜之間，玻璃基板與去離子水沖洗，干燥

5、的干燥空氣或氮氣流。治療后的玻璃基板是親水的。水的接觸角測量基板為0°。薄膜的制作。圖1描繪了膠體晶體薄膜的制造方案。實驗程序如下:首先，懸浮粒子的使用去離子水稀釋至一定的濃度。然后，親水的垂直玻璃襯底沉浸到分散，解除了一個恒定的速度，這正是由電動機控制。實驗的溫度設(shè)定在23°C。薄膜的表征。膜厚度是由使用掃描電鏡或薄膜測量系統(tǒng)。掃描電鏡觀察的樣品是用鋒利的刀片刮掉，然后用薄氣急敗壞的黃金的薄膜。掃描電鏡也用于觀察膠體晶體粒子排列的薄膜。從SEM可以獲取信息只有膠體晶體薄膜的表面，用顯微鏡觀察三維晶體結(jié)構(gòu)。膠體晶體微薄膜。圖2。橫斷面圖像的膠體晶體組成的球體直徑246納米:

6、(a)電影制作的速度0.2µm / s使用1.5%(v /爆破)暫停;厚度是15層和(b)電影制作的速度0.1µm / s使用3%(v /爆破)暫停;31層厚度。結(jié)果和討論膜厚的控制。膠體晶體薄膜的膜厚度可以控制通過改變粒子濃度和提升速度在圖2中，膠體晶體的橫斷面圖像在不同條件下薄膜制作展出。圖2是薄膜制作升降速度為0.2µm / s使用懸掛有1.5%(v /v0)的粒子。在這種情況下，薄膜與15層的厚度。圖2 b顯示了薄膜制作的速度0.1µm / s使用3%(v / v0)暫停。該薄膜是31層的厚度。膜厚度顯然是一個函數(shù)的濃度和提升速度這兩個因素中的任

7、何一個可以用來控制層的數(shù)量。詳細的實驗結(jié)果顯示濃度和提升速度如何影響膜厚度是如圖3所示。圖3。膜厚度的依賴，組成的球體大小為246 nm，濃度和提高速度:(a)的膜厚度和體積分數(shù)之間的關(guān)系領(lǐng)域。測試在六種不同的提升速度的關(guān)系，基于“增大化現(xiàn)實”技術(shù)的e表示為不同的標志。行是最佳結(jié)果使用線性函數(shù)。(b)厚度之間的關(guān)系，提升速度的倒數(shù)。不同的標志代表薄膜組合使用不同濃度的懸浮液。線條圖中使用一個二階多項式函數(shù)的最佳結(jié)果。圖3a是膜厚度和粒子濃度之間的關(guān)系。用于制造的體積分數(shù)變化從0.4到3%(v / v0)。每個不同懸架被用來制作電影在五個不同的提升速度,從0.1到1.6µm / s。從

8、這個圖,它可以觀察到,在3%和0.6之間的濃度區(qū)域(v / v0)、膜厚度的增加線性體積分數(shù)。的理論厚度和濃度之間的關(guān)系26是k是層數(shù)，v是影片的增長率由升降速度，是粒子體積分數(shù)，我是溶劑蒸發(fā)速度，d是膠體球的直徑，L是彎月面高度，粒子的速度之間的比例和流體速度的解決方案。膜厚度和濃度之間的線性關(guān)系預計從情商1，同意實驗結(jié)果。從這些結(jié)果，這也是發(fā)現(xiàn)山坡上的行是增加了減少提升速度，這意味著膜厚度更敏感的變化在低濃度提升速度應(yīng)該注意，那些薄膜制作從懸掛的濃度低于0.4%(v /vo)、薄膜厚度更薄比預期的額外polation線的結(jié)果與濃度大于0.6%(v /vo)。圖4。低放大率SEM圖像的薄膜組

9、成的球體直徑288納米。膜厚度之間的關(guān)系，提升速度是shownin圖3 b。6與粒子懸浮液濃度從0.6到3%(v /vo)被用來測試提升速度的影響。比較實驗結(jié)果與理論預測從情商獲得1，圖繪制的層數(shù)對情商的提升速度的倒數(shù)1、層數(shù)之間的線性關(guān)系的逆提升速度預計如果所有其他參數(shù)保持不變的線性關(guān)系在實驗結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)。圖3 b顯示了薄膜制作在低提升速度總是比線性期望基于薄數(shù)據(jù)來源于高速加工。這種現(xiàn)象可能是由于溶劑蒸發(fā)速度的改變，因為在薄膜制作的情況下高提升速度，球在位置遠離溶劑結(jié)晶表面比那些捏造的低速因此，溶劑的蒸發(fā)速度放緩在提升速度較低情商，這種變化可以降低膜厚度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，薄膜結(jié)果如圖3 b在展

10、出。觀察晶體結(jié)構(gòu)。膠體晶體形態(tài)的薄膜第一次掃描電鏡觀察到。一個典型的低放大率的形象，使膜表面的信息在一個廣闊的區(qū)域內(nèi)，如圖4所示。低放大率的圖像顯示，薄膜可以擴展的平面裂縫存在的一個非常大的地區(qū)。裂縫之間的距離從10到100年µm不同。這種形態(tài)類似于薄膜中觀察到的其他方法。4圖5。熒光顯微圖像的薄膜組成的球體直徑737納米:(a)、(b)和(c)連續(xù)三層，從玻璃基板。圖像是原始圖像沒有任何圖像處理。裂縫的出現(xiàn)是歸因于在干燥過程中球體的收縮。在薄膜領(lǐng)域最初的安排從高倍率觀察掃描電鏡圖像。薄膜的頂視圖圖像如圖8所示。圖6。投影領(lǐng)域的不同的層在飛機上平行于襯底:(a)投影圖6中的球體展出;

11、，代表球體在第一，第二，第三層，分別和(b)投影的球體在第四到第七層，表示為，、和相應(yīng)×。圖中的字符D代表點缺陷的位置。圖7。膠體晶體的立體圖片使用圖6中的圖像重建。圖8。球體安排在薄膜組成的球體直徑288納米。左邊的圖片是掃描電鏡拍攝的圖像在兩個職位分開了1厘米。正確的手圖像對應(yīng)的FFT圖像。FFT圖像中的虛線代表參考方向。對齊的點的FFT圖像同意參考方向很好。圖9。照片組成的膠體晶體薄膜的聚苯乙烯小球的大小不同。球體的直徑從左到右分別是211、233、246和263nm。觀察球的六角形排列幾乎無處不在，表明在平面層球體被安排好。高度的規(guī)律也反映在快速傅里葉變換(FFT)圖像(圖8

12、)，它表現(xiàn)出明顯的模式對所有的SEM 圖像。平面陣列的狀態(tài)信息可以源自于橫斷面圖像(圖2)。顯然，平面組堆積定期從襯底表面的電影。SEM觀察結(jié)果表明，球體形成一個面心立方結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的電影。在面心立方結(jié)構(gòu)的膠體晶體薄膜結(jié)構(gòu)，球體的平面陣列最初認為是安排ABCABC(面心立方(fcc)結(jié)構(gòu))，ABAB(六角裝得滿滿的(hcp)結(jié)構(gòu))，或者隨機包裝。理論計算表明，三種類型的結(jié)構(gòu)之間的能量差異小。27 SEM圖像可以提供信息只有頂部表面或垂直截面，區(qū)分水晶形式之間的結(jié)構(gòu)是不可能的。方法觀察球體的三維結(jié)構(gòu)是必要的。在這里，我們使用了熒光顯微觀察技術(shù)來確定晶體結(jié)構(gòu)。顯微觀察技術(shù)用于觀察膠體晶體懸浮在解決方案

13、。28-32因為球體在溶液中分離和之間的不匹配的微球折射指數(shù)解決方案是小，一個三維球體可以很容易地觀察到光的安排。干膠態(tài)晶體的情況有所不同。干膠態(tài)晶體熒光球體組成的電影以737海里，只有最外面的一層是可見的形象。內(nèi)部層數(shù)是模糊的圖像由于空氣和球體之間的強烈的光散射。減少散射，匹配的液體折射率接近球體被滲透到空白的膠體晶體。這部電影后變得完全透明的滲透。這種治療后，樣本用于顯微觀察。圖5顯示了顯微圖像的樣本采用這個方法。三層顯示從襯底。顯然，內(nèi)層的形象的質(zhì)量保持不變。這種圖像質(zhì)量維持在10層。這些照片記錄了CCD相機和用于立體結(jié)構(gòu)的分析。球的位置的識別和測量的圖像是由使用圖像處理軟件，專業(yè)形象。

14、派生的坐標用于重建和分析。圖6顯示了預測的三層沿方向垂直于襯底。顯然，之間沒有重疊球體的位置在不同的層，表示層堆棧在ABC形成球體在第四層返回相同的位置被占領(lǐng)的球體在第一層，和疊加模式又重復(圖6 b)。圖7顯示了膠體晶體的三維立體結(jié)構(gòu)從微觀圖像重建。圖片的藍色球體周圍的膠態(tài)晶體中的點缺陷。顯然，這樣的缺陷不影響下一層的結(jié)構(gòu)。從這個觀察，可以得出結(jié)論，球體形成fcc結(jié)構(gòu)薄膜捏造浸漬法。確定遠程有序晶體結(jié)構(gòu)的排序，膠體晶體薄膜的SEM圖像在不同位置都被記錄下來。觀察樣品的大小約為1。5厘米×2。6厘米。觀察方法如下:首先，我們觀察到的安排電影的球體在一個位置，然后用XY階段獲得的將樣品

15、轉(zhuǎn)移到另一個明確的立場和球體的形象。拍攝的圖像在兩個位置相隔1厘米，如圖8所示。上面的兩個密切SEM圖像被放置一個另一個用于比較的初衷晶格的周期性和方向在兩個圖像。顯然，他們認為很好，雖然圖像記錄在位置相隔1厘米。這么好的整合還支持通過FFT圖像。上述結(jié)果表明，遠程命令的范圍可以達到厘米尺寸。遠程命令沒有相關(guān)裂縫的電影，暗示后可能出現(xiàn)裂縫的形成晶體。光學性質(zhì)。光學質(zhì)量高的薄膜可以通過肉眼來判斷。統(tǒng)一燦爛的顏色,延伸到厘米尺寸可以觀察到的所有電影的停止樂隊在可見范圍。圖9顯示的照片四個不同大小的球體組成的膠體晶體薄膜。圖10。薄膜的透射光譜組成微球直徑246納米。膜表面的法線之間的角度和探測光的

16、變化從0到50°，和光譜記錄每5°。插圖顯示了峰值位置和探測角之間的關(guān)系(0)。實驗結(jié)果被布拉格公式擬合(eq 2)。圖11。不同的微球組成的薄膜的透射光譜。透射峰的光譜變化從波長向長波長是短片由speres直徑211，233，246，263，288海里。薄膜改變的顏色從藍色到紅色隨著球體的大小。蛋白石薄膜的詳細信息光學特性的測量紫外吸收光譜等手段進行了推導圖10顯示了膠體晶體薄膜的透射光譜組成的球體大小為246海里。的相對抑制頻帶寬度/0，哪里是寬度的一半最大峰值和0峰的中心波長，是7%。這個值同意大約與理論計算結(jié)果的fcc晶體。33個光譜的峰值位置取決于襯底的法向量之間

17、的角度和探測光和他們轉(zhuǎn)移到更短的波長增加檢測角度。圖10中的光譜測量數(shù)據(jù)不同角度給出。峰位置和檢測之間的關(guān)系角度總結(jié)了插圖和布拉格公式擬合其中D是球體的直徑，在本例中是246海里。nsphere和nvoid球體的折射率和空洞，分別。聚苯乙烯微球和1的值是1。6孔隙。Vsphere和Vvoid球體的體積分數(shù)和結(jié)構(gòu)中的空隙和水晶的0。74和0。26，分別在fcc結(jié)構(gòu)。顯然，實驗結(jié)果與計算吻合較好。這個結(jié)果支持結(jié)論的薄膜是由結(jié)晶良好的fcc結(jié)構(gòu)如前所來自掃描電鏡和顯微觀察。急劇衰減峰值可以觀察到的所有薄膜所使用的這種方法。5部薄膜組成的透射光譜的不同大小的球體圖11所示。峰值的位置轉(zhuǎn)移到更長的波長隨

18、著球體的大小。峰位置和范圍大小之間的關(guān)系也可以安裝的布拉格公式(eq 2)。這一結(jié)果表明，結(jié)晶良好的薄膜可以派生這些球體。結(jié)論我們演示了浸漬方法制造的高質(zhì)量,統(tǒng)一的蛋白石的電影。膜厚度很容易由粒子濃度或控制提升速度的球體在電影這個方法的形式結(jié)晶fcc結(jié)構(gòu)。訂單的單晶尺寸可以擴展厘米。致謝。這部分工作是支持日本促進社會科學、神奈川縣、日本科技公司的聯(lián)合研究項目。參考文獻(1) Blanco, A.; Chomski, E.; Gra btchak , S.; Ibisat e, M.; John , S.; Leonar d, S. W.; Lopez, C.; Meseg uer, F.; M

19、iguez, H.; Mondia, J. P.; Ozin, G. A.; Toader, O.; van-Driel, H. M. Nature 2000 , 405 , 437-440 .(2) Trau , M.; Saville, D. A.; Aksa y, I. A. Science 1996 , 272 , 706- 709 .(3) Trau , M.; Saville, D. A.; Aksa y, I. A. Langmuir 1997 , 13, 6375 - 6381 .(4) J ian g, P.; Bertone, J . F.; Hwan g, K. S.;

20、Colvin, V. L. Chem. Mater. 1999 , 11, 2132 -2140 .(5) Xia, Y.; Gat es, B.; Yin, Y.; Lu, Y. Adv . Mater. 2000 , 12, 693- 713 .(6) Park , S. H.; Xia, Y. Langmuir 1999 , 15, 266-273 .(7) Gu, Z.-Z.; Meng, Q.-B.; Ha yam i, S.; Fujishima , A.; Sato, O. J. Appl. Phys. 2001 , 90, 2042 -2044 .(8) Gu, Z.-Z.;

21、Ha yam i, S.; Kubo, S.; Meng, Q.-B.; Eina ga, Y.; Tryk,D. A.; Fujishima , A.; Sato, O. J. Am. Chem. Soc. 2001 , 123 , 175-176 .(9)Pan , G.; Kes avamoorth y, R.; Asher, S. A. J. Am. Chem. Soc.1998 , 120 , 6525 -6530 .(10)Holgado, M.; Garcia-Santamar ia, F.; Blanco, A.; Ibisat e, M.; Cinta s, A.; Migu

22、ez, H.; Serna , C. J.; Molpeceres, C.; Req uena , J.; Mifsud, A.; Meseg uer, F.; Lopez, C. Langmuir 1999 , 15, 4701 -4704 .(11)Yos hino, K.; Kawagishi, Y.; Ozaki, M.; Kose, A. Jpn. J. Appl. Phys. 1999 , 38, L786 -L788 .(12)van-Blaa deren, A. Science 1998 , 282 , 887-888 .(13)Reynolds, A. L.; Cassagn

23、e, D.; Jouan in, C.; Arnold, J. M. Synth. Met. 2001 , 116 , 453-456 .(14)John son, N. P.; McComb, D. W.; Richel, A.; Treble, B. M.; DelaRue, R. M. Synth. Met. 2001 , 116 , 469-473 .(15)Roman ov, S. G.; Maka , T.; Torr es, C. M. S.; Mulle r, M.; Zent el, R. Synth. Met. 2001 , 116 , 475-479 .(16)Yos h

24、ino, K.; Lee, S. B.; Tat suhara , S.; Kawagishi, Y.; Ozaki,M. Z. A. A.; Yos hino, K.; Kawagishi, Y. Appl. Phys. Lett. 1998 , 73, 3506 -3508 .(17)Vlasov, Y. A.; Lut erova, K.; Pelant , I.; Honerlage, B.; Astrat ov, V. N. Appl Phys. Lett. 1997 , 71, 1616 -1618 .(18)Yablonovitch, E. Phys. Rev. Lett. 19

25、87 , 58, 2059 -2062 .(19) John , S. Phys. Rev. Lett. 1987 , 58, 2486 .(20)Photonic Band Gaps and Localizati on; Soukoulis, C. M., Ed.; Plenum Pr ess: New York , 1993 ; Vol. 308 .(21)Photonic band gap materials ; Soukoulis, C. M., Ed.; Kluwer Academic Pu blis hers: Dordrecht , 1996 ; Vol. 315 .(22)Mayora l, R.; Req uena , J.; Moya, J. S.; Lopez, C.; Cinta s, A.; Miguez, H.; Meseg uer, F.; Vazquez, L.; Holgado, M.; Blanco, A. Adv . Mater. 1997 , 9, 257-260 .(23)Wen, W.; Wan g, N.; Ma, H.; Lin, Z.; Tam , W. Y.; Chan , C. T.; She