厚度可控的高质量蛋白石薄膜的制备

1、厚度可控的高质量蛋白石薄膜的制备浸渍的方法是制作三维胶体晶体薄膜。薄膜制作的厚度，该方法可以精确控制从一层到几数万层通过控制粒子浓度和膜的形成速度。实验结果表明,该领域形成一个面心立方结构，薄膜可以扩展厘米尺寸单晶。绪论单分散的领域自组装成有序三维结构最近引起了极大关注。1-17这样的物质被称为胶体晶体或蛋白石。胶体晶体具有独特属性的光传播和料应用在光学设备(如光子禁带晶体。连这些应用程序，这是至关重要的制造可控的高质量的胶体晶体薄膜厚度。单分散的颗粒在重力下的自然沉降是最简单的方法制造。22在重力和溶剂里的颗粒沉淀自我组装形成一个立方装得满满的薄膜(ccp)结构。沉积法的主要缺点是，它很少控

2、制顶部表面的形态和数量的层的3 D晶体阵列。5需要长时间(几周到几个月)亚微米尺寸粒子得到完全解决。有效地制造高质量的胶体晶体的薄膜，很多方法，利用电场的力。10，23气体或液体的流动，6，7和毛细力开发组装的粒子形成均匀的胶体晶体薄膜。4在这些垂直沉积法在Colvin课题组，利用毛细管力作用，提供了一个相对简单的方法来制作高质量的胶体晶体薄膜。4 图1。大量的薄膜制作技术。浸渍装置是自动化阶段。步进电机的移动速度正是由电脑控制的。垂直沉积法本质上是类似于Nagayama的方法，24,25，主要是开发和优化生产为目的的二维单层的薄膜。在垂直沉积法、衬底垂直首次沉浸到一个包含单分散的悬浮球体。在

3、蒸发的溶剂,溶剂的表面向下移动和薄膜沉积到衬底的溶剂表面下降。4在他的方法，因为溶剂的蒸发推导控制溶剂表面粒子的在蒸发过程中浓度发生变化，这可能对膜厚的影响。为了解决这个问题,我们的胶态晶体薄膜通过提高衬底的悬挂在一个恒定的速度代替依赖溶剂的蒸发。它将表明，面心立方(fcc)胶体晶体薄膜与统一的颜色可以用这种方法制作的。薄膜的厚度可以控制从一层几个数万层通过改变粒子的浓度或提升的速度。因为在悬浮颗粒的浓度几乎不变，统一的薄膜延伸到几厘米。实验过程材料和设备。单分散的聚苯乙烯和荧光不同直径的球体从Duke Scientific Corporation (美国)和Interfacial Dynam

4、ics Corp. (美国)。荧光粒子是来自Polysciences Inc.(美国) 的一个产品 ，试剂质量硫酸(95%)和过氧化氢(30%)和光化学(日本)从kouichi iwama说道。滑动玻片，玻片产品从磐玻璃，Inc .(J跨越山川)。去离子水是用于实验。浸渍机是自动化阶段由计算机控制(图1)。浸渍速度可以变化超过了通用电气0.1 -70µm / s。紫外可见光谱被记录在一个日本岛津公司模型uv - 3100电脑分光光度计。扫描电子显微镜(SEM)观察。基底及其处理。用于实验的载玻片，玻片首次治疗解决方案包含30%过氧化氢和70%硫酸一夜之间，玻璃基板与去离子水冲洗，干燥

5、的干燥空气或氮气流。治疗后的玻璃基板是亲水的。水的接触角测量基板为0°。薄膜的制作。图1描绘了胶体晶体薄膜的制造方案。实验程序如下:首先，悬浮粒子的使用去离子水稀释至一定的浓度。然后，亲水的垂直玻璃衬底沉浸到分散，解除了一个恒定的速度，这正是由电动机控制。实验的温度设定在23°C。薄膜的表征。膜厚度是由使用扫描电镜或薄膜测量系统。扫描电镜观察的样品是用锋利的刀片刮掉，然后用薄气急败坏的黄金的薄膜。扫描电镜也用于观察胶体晶体粒子排列的薄膜。从SEM可以获取信息只有胶体晶体薄膜的表面，用显微镜观察三维晶体结构。胶体晶体微薄膜。图2。横断面图像的胶体晶体组成的球体直径246纳米:

6、(a)电影制作的速度0.2µm / s使用1.5%(v /爆破)暂停;厚度是15层和(b)电影制作的速度0.1µm / s使用3%(v /爆破)暂停;31层厚度。结果和讨论膜厚的控制。胶体晶体薄膜的膜厚度可以控制通过改变粒子浓度和提升速度在图2中，胶体晶体的横断面图像在不同条件下薄膜制作展出。图2是薄膜制作升降速度为0.2µm / s使用悬挂有1.5%(v /v0)的粒子。在这种情况下，薄膜与15层的厚度。图2 b显示了薄膜制作的速度0.1µm / s使用3%(v / v0)暂停。该薄膜是31层的厚度。膜厚度显然是一个函数的浓度和提升速度这两个因素中的任

7、何一个可以用来控制层的数量。详细的实验结果显示浓度和提升速度如何影响膜厚度是如图3所示。图3。膜厚度的依赖，组成的球体大小为246 nm，浓度和提高速度:(a)的膜厚度和体积分数之间的关系领域。测试在六种不同的提升速度的关系，基于“增大化现实”技术的e表示为不同的标志。行是最佳结果使用线性函数。(b)厚度之间的关系，提升速度的倒数。不同的标志代表薄膜组合使用不同浓度的悬浮液。线条图中使用一个二阶多项式函数的最佳结果。图3a是膜厚度和粒子浓度之间的关系。用于制造的体积分数变化从0.4到3%(v / v0)。每个不同悬架被用来制作电影在五个不同的提升速度,从0.1到1.6µm / s。从

8、这个图,它可以观察到,在3%和0.6之间的浓度区域(v / v0)、膜厚度的增加线性体积分数。的理论厚度和浓度之间的关系26是k是层数，v是影片的增长率由升降速度，是粒子体积分数，我是溶剂蒸发速度，d是胶体球的直径，L是弯月面高度，粒子的速度之间的比例和流体速度的解决方案。膜厚度和浓度之间的线性关系预计从情商1，同意实验结果。从这些结果，这也是发现山坡上的行是增加了减少提升速度，这意味着膜厚度更敏感的变化在低浓度提升速度应该注意，那些薄膜制作从悬挂的浓度低于0.4%(v /vo)、薄膜厚度更薄比预期的额外polation线的结果与浓度大于0.6%(v /vo)。图4。低放大率SEM图像的薄膜组

9、成的球体直径288纳米。膜厚度之间的关系，提升速度是shownin图3 b。6与粒子悬浮液浓度从0.6到3%(v /vo)被用来测试提升速度的影响。比较实验结果与理论预测从情商获得1，图绘制的层数对情商的提升速度的倒数1、层数之间的线性关系的逆提升速度预计如果所有其他参数保持不变的线性关系在实验结果没有发现。图3 b显示了薄膜制作在低提升速度总是比线性期望基于薄数据来源于高速加工。这种现象可能是由于溶剂蒸发速度的改变，因为在薄膜制作的情况下高提升速度，球在位置远离溶剂结晶表面比那些捏造的低速因此，溶剂的蒸发速度放缓在提升速度较低情商，这种变化可以降低膜厚度之间的关系发现，薄膜结果如图3 b在展

10、出。观察晶体结构。胶体晶体形态的薄膜第一次扫描电镜观察到。一个典型的低放大率的形象，使膜表面的信息在一个广阔的区域内，如图4所示。低放大率的图像显示，薄膜可以扩展的平面裂缝存在的一个非常大的地区。裂缝之间的距离从10到100年µm不同。这种形态类似于薄膜中观察到的其他方法。4图5。荧光显微图像的薄膜组成的球体直径737纳米:(a)、(b)和(c)连续三层，从玻璃基板。图像是原始图像没有任何图像处理。裂缝的出现是归因于在干燥过程中球体的收缩。在薄膜领域最初的安排从高倍率观察扫描电镜图像。薄膜的顶视图图像如图8所示。图6。投影领域的不同的层在飞机上平行于衬底:(a)投影图6中的球体展出;

11、，代表球体在第一，第二，第三层，分别和(b)投影的球体在第四到第七层，表示为，、和相应×。图中的字符D代表点缺陷的位置。图7。胶体晶体的立体图片使用图6中的图像重建。图8。球体安排在薄膜组成的球体直径288纳米。左边的图片是扫描电镜拍摄的图像在两个职位分开了1厘米。正确的手图像对应的FFT图像。FFT图像中的虚线代表参考方向。对齐的点的FFT图像同意参考方向很好。图9。照片组成的胶体晶体薄膜的聚苯乙烯小球的大小不同。球体的直径从左到右分别是211、233、246和263nm。观察球的六角形排列几乎无处不在，表明在平面层球体被安排好。高度的规律也反映在快速傅里叶变换(FFT)图像(图8

12、)，它表现出明显的模式对所有的SEM 图像。平面阵列的状态信息可以源自于横断面图像(图2)。显然，平面组堆积定期从衬底表面的电影。SEM观察结果表明，球体形成一个面心立方结构结构的电影。在面心立方结构的胶体晶体薄膜结构，球体的平面阵列最初认为是安排ABCABC(面心立方(fcc)结构)，ABAB(六角装得满满的(hcp)结构)，或者随机包装。理论计算表明，三种类型的结构之间的能量差异小。27 SEM图像可以提供信息只有顶部表面或垂直截面，区分水晶形式之间的结构是不可能的。方法观察球体的三维结构是必要的。在这里，我们使用了荧光显微观察技术来确定晶体结构。显微观察技术用于观察胶体晶体悬浮在解决方案

13、。28-32因为球体在溶液中分离和之间的不匹配的微球折射指数解决方案是小，一个三维球体可以很容易地观察到光的安排。干胶态晶体的情况有所不同。干胶态晶体荧光球体组成的电影以737海里，只有最外面的一层是可见的形象。内部层数是模糊的图像由于空气和球体之间的强烈的光散射。减少散射，匹配的液体折射率接近球体被渗透到空白的胶体晶体。这部电影后变得完全透明的渗透。这种治疗后，样本用于显微观察。图5显示了显微图像的样本采用这个方法。三层显示从衬底。显然，内层的形象的质量保持不变。这种图像质量维持在10层。这些照片记录了CCD相机和用于立体结构的分析。球的位置的识别和测量的图像是由使用图像处理软件，专业形象。

14、派生的坐标用于重建和分析。图6显示了预测的三层沿方向垂直于衬底。显然，之间没有重叠球体的位置在不同的层，表示层堆栈在ABC形成球体在第四层返回相同的位置被占领的球体在第一层，和叠加模式又重复(图6 b)。图7显示了胶体晶体的三维立体结构从微观图像重建。图片的蓝色球体周围的胶态晶体中的点缺陷。显然，这样的缺陷不影响下一层的结构。从这个观察，可以得出结论，球体形成fcc结构薄膜捏造浸渍法。确定远程有序晶体结构的排序，胶体晶体薄膜的SEM图像在不同位置都被记录下来。观察样品的大小约为1。5厘米×2。6厘米。观察方法如下:首先，我们观察到的安排电影的球体在一个位置，然后用XY阶段获得的将样品

15、转移到另一个明确的立场和球体的形象。拍摄的图像在两个位置相隔1厘米，如图8所示。上面的两个密切SEM图像被放置一个另一个用于比较的初衷晶格的周期性和方向在两个图像。显然，他们认为很好，虽然图像记录在位置相隔1厘米。这么好的整合还支持通过FFT图像。上述结果表明，远程命令的范围可以达到厘米尺寸。远程命令没有相关裂缝的电影，暗示后可能出现裂缝的形成晶体。光学性质。光学质量高的薄膜可以通过肉眼来判断。统一灿烂的颜色,延伸到厘米尺寸可以观察到的所有电影的停止乐队在可见范围。图9显示的照片四个不同大小的球体组成的胶体晶体薄膜。图10。薄膜的透射光谱组成微球直径246纳米。膜表面的法线之间的角度和探测光的

16、变化从0到50°，和光谱记录每5°。插图显示了峰值位置和探测角之间的关系(0)。实验结果被布拉格公式拟合(eq 2)。图11。不同的微球组成的薄膜的透射光谱。透射峰的光谱变化从波长向长波长是短片由speres直径211，233，246，263，288海里。薄膜改变的颜色从蓝色到红色随着球体的大小。蛋白石薄膜的详细信息光学特性的测量紫外吸收光谱等手段进行了推导图10显示了胶体晶体薄膜的透射光谱组成的球体大小为246海里。的相对抑制频带宽度/0，哪里是宽度的一半最大峰值和0峰的中心波长，是7%。这个值同意大约与理论计算结果的fcc晶体。33个光谱的峰值位置取决于衬底的法向量之间

17、的角度和探测光和他们转移到更短的波长增加检测角度。图10中的光谱测量数据不同角度给出。峰位置和检测之间的关系角度总结了插图和布拉格公式拟合其中D是球体的直径，在本例中是246海里。nsphere和nvoid球体的折射率和空洞，分别。聚苯乙烯微球和1的值是1。6孔隙。Vsphere和Vvoid球体的体积分数和结构中的空隙和水晶的0。74和0。26，分别在fcc结构。显然，实验结果与计算吻合较好。这个结果支持结论的薄膜是由结晶良好的fcc结构如前所来自扫描电镜和显微观察。急剧衰减峰值可以观察到的所有薄膜所使用的这种方法。5部薄膜组成的透射光谱的不同大小的球体图11所示。峰值的位置转移到更长的波长随

18、着球体的大小。峰位置和范围大小之间的关系也可以安装的布拉格公式(eq 2)。这一结果表明，结晶良好的薄膜可以派生这些球体。结论我们演示了浸渍方法制造的高质量,统一的蛋白石的电影。膜厚度很容易由粒子浓度或控制提升速度的球体在电影这个方法的形式结晶fcc结构。订单的单晶尺寸可以扩展厘米。致谢。这部分工作是支持日本促进社会科学、神奈川县、日本科技公司的联合研究项目。参考文献(1) Blanco, A.; Chomski, E.; Gra btchak , S.; Ibisat e, M.; John , S.; Leonar d, S. W.; Lopez, C.; Meseg uer, F.; M

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