專利名稱：二維圖案化納米TiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種樹枝狀多分支形貌的二維圖案化納米TiO2薄膜的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
表面圖案化是指在至少一維的方向上生成納米級(jí)的規(guī)則表面結(jié)構(gòu)，這種有序的圖案化的結(jié)構(gòu)在微電子和光電子器件、顯示器、生物芯片、傳感器、酶的固定、藥物可控釋放以及光子帶隙材料等方面的廣闊應(yīng)用前景，可以預(yù)期，二維圖案化納米TiO2薄膜在磁轉(zhuǎn)換材料、光電材料等方面將具有潛在應(yīng)用。當(dāng)前人們對(duì)TiO2薄膜研究得較多的是無序的納米粒子薄膜，例如采用浸涂法(“處理室內(nèi)微污染空氣的SiO2/TiO2復(fù)合納米光催化膜及制法”中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00410020608)或是通過采用反應(yīng)磁控濺射的方法(“接觸角可調(diào)的Ag/TiO2復(fù)合薄膜及其制備方法”中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00410000727、“一種獲得二氧化鈦薄膜的方法”中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00410051147)。同時(shí)，目前雖然已有圖案化固定生物大分子(“用微傳遞技術(shù)在聚合物活性表面圖案化固定生物大分子的方法”中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2160335、“在無機(jī)硅材料表面共圖案化固定生物大分子的方法”中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2160334)，用軟刻技術(shù)將由單分散二氧化硅微球組成的有序膠體晶體進(jìn)行圖案化(“揭起軟刻技術(shù)進(jìn)行膠體晶體圖案化微加工的方法”中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0310110094)，以及采用水滴鋪展法成功地在陣列碳納米管膜上構(gòu)筑了三維立體的具有微米尺度的規(guī)則圖形(‘Self-Assembly of Large-Scale Micropatterns onAligned Carbon Nanotube Films’.Angew.Chem.Int.Ed.2004，43(9)1146-1149)的相關(guān)報(bào)道。但是這些方法需要一整套圖案化裝置、膜形成裝置、電光學(xué)裝置等等，制備過程極為復(fù)雜。直到目前為止，國(guó)內(nèi)外尚未見到二維圖案化納米TiO2薄膜的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于尋找一種操作簡(jiǎn)單、設(shè)備要求和成本低、結(jié)構(gòu)有序的二維圖案化納米TiO2薄膜的制備方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明以一種新型的含雙親水基團(tuán)的Gemini表面活性劑([C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-)為成膜物質(zhì)，以納米級(jí)TiO2溶膠為亞相，通過誘導(dǎo)效應(yīng)制備出一種樹枝狀多分支形貌的二維圖案化的TiO2薄膜。
具體的制備技術(shù)是按如下幾個(gè)步驟進(jìn)行的A，TiO2溶膠的制備首先量取鈦酸四丁酯∶低級(jí)醇∶水＝1∶1～5∶8～16重量比；然后將鈦酸四丁酯和低級(jí)醇混合作為儲(chǔ)備液，然后在250mL燒瓶中加入水，并以硝酸或鹽酸調(diào)節(jié)其pH值到2～3；接著將燒瓶置于40～80℃的水浴中，在攪拌下將配好的儲(chǔ)備液緩慢滴入燒瓶中。繼續(xù)攪拌3～6h，混合溶液形成透明的膠體溶液，即可得粒徑約為8～20nm的球形粒子組成的TiO2溶膠。
B.石英基片處理先將石英基片在飽和KOH/CH3OH溶液中浸泡30min，用蒸餾水清洗，再在CHCl3/CH3OH(體積比1∶1)溶液中浸泡30min，最后用二次蒸餾水洗凈后就可得親水性的石英基片。然后將上述石英基片浸入5％的Me2Cl2Si/CCl4溶液中5～10min，用丙酮沖洗干凈，得疏水表面的石英基片。
C.Gemini表面活性劑的制備Gemini表面活性劑C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-，按下述方法合成在1，3-二溴丙烷的乙醇溶液中加入過量5％～10％的N，N-二甲基十八烷基胺回流48h，產(chǎn)物用乙醇-乙酸乙酯混合溶劑重結(jié)晶3～4次。
D.二維圖案化納米TiO2薄膜的制備以A步制得的TiO2溶膠為亞相，以20～100μL，0.5×10-3mol·L-1～3.0×10-3mol·L-1的Gemini表面活性劑([C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-)的氯仿溶液鋪展在亞相上，待溶劑氯仿?lián)]發(fā)15～30min后，開始?jí)耗?，?dāng)表面壓為20～30mN·m-1時(shí)，用水平附著法將亞相表面的液體沉積到預(yù)先處理過的石英基片上，室溫干燥后即得一種樹枝狀多分支形貌的二維圖案化的納米TiO2薄膜。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵摴に嚥捎靡环N新型的含雙頭親水基團(tuán)的Gemini表面活性劑([C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-)作為模板誘導(dǎo)劑對(duì)TiO2納米粒子進(jìn)行圖案化，該Gemini表面活性劑合成方法簡(jiǎn)單，同時(shí)制備薄膜無需一整套特殊的圖案化裝置，只需在普通的膜壓儀上進(jìn)行，操作極為簡(jiǎn)便。
2.由于制得的TiO2溶膠的粒徑分布很狹窄，控制在20nm之內(nèi)，因此通過Gemini表面活性劑([C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-)模板對(duì)TiO2納米粒子的誘導(dǎo)作用，使得二維圖案化納米TiO2薄膜中的粒子分散更為均勻。
3.本發(fā)明制備出一種樹枝狀多分支形貌的二維圖案化的TiO2薄膜，該薄膜具有良好的穩(wěn)定性和完整性，是對(duì)TiO2納米粒子進(jìn)行圖案化構(gòu)筑的有效方法之一。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1首先，將12.5mL鈦酸四丁酯加入含有4mL異丙醇的錐形瓶中作為儲(chǔ)備液。在250mL燒瓶中加入150mL去離子水，然后向其中加入2mL 70％硝酸。將燒瓶置于80℃左右的水浴中。在攪拌下將配好的儲(chǔ)備液緩慢滴入燒瓶中。繼續(xù)攪拌，直至混合溶液形成透明的膠體溶液，即可得粒徑為8～20nm的TiO2溶膠。
Gemini表面活性劑C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-，按下述方法合成在1，3-二溴丙烷的乙醇溶液中加入過量5％～10％的N，N-二甲基十八烷基胺回流48h，產(chǎn)物用乙醇-乙酸乙酯混合溶劑重結(jié)晶3～4次。將石英基片在飽和KOH/CH3OH溶液中浸泡30min，用蒸餾水清洗，再在CHCl3/CH3OH(體積比1∶1)溶液中浸泡30min，最后用二次蒸餾水洗凈后就可得親水性的石英基片。然后將上述親水基片浸入5％的Me2Cl2Si/CCl4溶液中5～10min，用丙酮沖洗干凈，得疏水表面的石英基片。
接著，以該TiO2溶膠為亞相，將60μL，1.0×10-3mol·L-1的Gemini表面活性劑([C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-)的氯仿溶液鋪展在亞相上，待溶劑氯仿?lián)]發(fā)后，一般為15～30min，測(cè)定Gemini表面活性劑在TiO2溶膠氣/液界面單分子膜的表面壓與單分子面積的等溫線。
然后，重新壓膜，選取表面壓為20mN·m-1時(shí)停止壓膜，用水平附著法將亞相表面的液體沉積到預(yù)先處理過的石英基片上即得樹枝狀多分支形貌的二維圖案化納米TiO2薄膜。
實(shí)施例2首先，將12.5mL鈦酸四丁酯加入含有4mL異丙醇的錐形瓶中作為儲(chǔ)備液。在250mL燒瓶中加入150mL去離子水，然后向其中加入2mL 70％硝酸。將燒瓶置于70℃左右的水浴中。在攪拌下將配好的儲(chǔ)備液緩慢滴入燒瓶中。繼續(xù)攪拌，直至混合溶液形成透明的膠體溶液，即可得粒徑約為8nm、球形粒子組成的TiO2溶膠。
按照實(shí)施例1中的方法處理石英基片和制備Gemini表面活性劑。接著，以上述方法制得的TiO2溶膠為亞相，80μL，1.0×10-3mol·L-1的Gemini表面活性劑([C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-)的氯仿溶液鋪展在亞相上，待溶劑揮發(fā)后，壓膜，當(dāng)表面壓為25mN·m-1時(shí)停止壓膜，用水平附著法將亞相表面的液體沉積到預(yù)先處理過的石英基片上即得樹枝狀多分支形貌的二維圖案化納米TiO2薄膜。
實(shí)施例3首先，取4ml鈦酸四丁酯溶于15ml乙醇作為儲(chǔ)備液，在250mL燒瓶中加入60ml的水，以鹽酸將其pH值調(diào)節(jié)到2，將燒瓶置于50℃的水浴中，在攪拌下將配好的儲(chǔ)備液緩慢滴入燒瓶中。繼續(xù)攪拌4h，混合溶液形成透明的膠體溶液，即可得粒徑約為8～20nm的球形粒子組成的TiO2溶膠。
按照實(shí)施例1中的方法處理石英基片和制備Gemini表面活性劑。接著，以上述方法制備得到的TiO2溶膠為亞相，100μL，1.0×10-3mol·L-1的Gemini表面活性劑([C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-)的氯仿溶液鋪展在亞相上，待溶劑揮發(fā)后，開始?jí)耗ぃ?dāng)膜壓儀的表面壓為30mN·m-1時(shí)停止壓膜，然后用水平附著法將膜沉積到預(yù)先處理過的石英基片上即得樹枝狀多分支形貌的二維圖案化納米TiO2薄膜。
權(quán)利要求
1.二維圖案化納米TiO2薄膜的制備方法，其特征在于A，TiO2溶膠的制備首先量取鈦酸四丁酯∶低級(jí)醇∶水＝1∶1～5∶8～16重量比；然后將鈦酸四丁酯和低級(jí)醇混合作為儲(chǔ)備液，然后在250mL燒瓶中加入水，并以硝酸或鹽酸調(diào)節(jié)其pH值到2～3；接著將燒瓶置于40～80℃的水浴中，在攪拌下將配好的儲(chǔ)備液緩慢滴入燒瓶中，繼續(xù)攪拌3～6h，混合溶液形成透明的膠體溶液，即可得粒徑約為8～20nm的球形粒子組成的TiO2溶膠；B.石英基片處理先將石英基片在飽和KOH/CH3OH溶液中浸泡30min，用蒸餾水清洗，再在體積比為1∶1的CHCl3/CH3OH溶液中浸泡30min，最后用二次蒸餾水洗凈后就可得親水性的石英基片，然后將上述石英基片浸入5％的Me2Cl2Si/CCl4溶液中5～10min，用丙酮沖洗干凈，得疏水表面的石英基片；C.Gemini表面活性劑的制備Gemini表面活性劑[C18H37N+(CH3)2]2CH2CHOHCH2·2Br-，按下述方法合成在1，3-二溴丙烷的乙醇溶液中加入過量5％～10％的N，N-二甲基十八烷基胺回流48h，產(chǎn)物用乙醇-乙酸乙酯混合溶劑重結(jié)晶3～4次；D.二維圖案化納米TiO2薄膜的制備以A步制得的TiO2溶膠為亞相，以20～100μL，0.5×10-3mol·L-1～3.0×10-3mol·L-1的Gemini表面活性劑的氯仿溶液鋪展在亞相上，待溶劑氯仿?lián)]發(fā)15～30min后，開始?jí)耗ぃ?dāng)表面壓為20～30mN·m-1時(shí)，用水平附著法將亞相表面的液體沉積到預(yù)先處理過的石英基片上，室溫干燥后即得一種樹枝狀多分支形貌的二維圖案化的納米TiO2薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維圖案化納米TiO2薄膜的制備方法，其特征在于所述的Gemini表面活性劑的氯仿溶液作為鋪展液為常規(guī)方法制得。
全文摘要
二維圖案化納米TiO
文檔編號(hào)C01G23/047GK1803578SQ20051011149
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者甘禮華, 劉明賢, 陳根, 王京紅, 徐子頡, 陳龍武 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)