一种平行磁场装置及其大面积排列一维磁性材料的方法

1.本发明属于微纳米器件制造和微电子技术以及通信技术的交叉领域，具体涉及一种平行磁场装置及其大面积排列一维磁性材料的方法。背景技术：2.随着纳米技术的发展，微纳电子器件的制备工艺日趋成熟，而工艺的关键之一在于一维纳米材料的有序排列与组装，因此纳米线阵列的可控制备引起了人们的广泛关注。一维纳米材料器件化后可以用来作为光学、光电、场效应管和传感检测等器件。最近几年来，科研工作者们发明了许多组装一维纳米材料的方法，这些组装一维纳米材料方法有lb膜法、微流体法、电场辅助法、真空抽滤法、吹泡法、选择性的化学或生物图案转录法、磁场辅助法、光诱捕法等。虽然这些方法取得了一些重要进展，但是要达到纳米器件的应用要求依旧相差甚远，纳米材料的集成组装仍是亟待解决的关键问题。需要指出的是，研究报道中利用磁场在溶剂中排列一维磁性纳米材料的方法有两种：一种是直接利用大尺寸永磁体；另一种是利用永磁铁阵列，如海尔贝克阵列。直接利用永磁铁排列一维磁性纳米材料，虽然能够制备出有序的阵列结构，但是受永磁体尺寸的限制，做出的样品面积较小，难以满足实际应用需要；海尔贝克阵列可以制备出大面积的一维磁性纳米材料阵列，但是海尔贝克阵列磁场的不均匀导致一维磁性纳米材料排列也不均匀。技术实现要素：3.本发明的目的是提供一种平行磁场装置以及利用该装置制备大面积排列一维磁性材料的方法，该方法工艺简单、成本低、易于大面积批量化制备微纳器件等。4.本发明所提供的平行磁场形成装置，它包括装置底板1、两个支撑底座2、两个固定前挡板3、两个固定架4、导磁板5、滑移槽6、两个永磁体7；5.所述两个支撑底座2位于所述装置底板1的下方，用于支撑装置底板1；所述两个固定前挡板3、两个固定架4、两个永磁体7均位于所述装置底板1上，一个固定前挡板3和一个固定架4用于固定一个永磁体7；所述装置底板1的一端设有用于固定前挡板3和固定架4的滑移槽6，便于调整两个永磁铁7之间的距离，导磁板5设于两个永磁铁7之间，放置在两个固定前挡板3上面。6.上述装置中，所述两个支撑底座2的高度可调节。7.上述装置中，所述两个固定前挡板3位于所述装置底板1上的两侧；所述两个固定架4位于所述装置底板1上的两侧；所述两个永磁体7位于所述装置底板1上的两侧，且所述两个永磁体的n、s极相对且保持一定距离。该距离于所述导磁板5的长度相关。8.上述装置中，所述两个固定前挡板3位于所述两个永磁体7之间，所述两个固定架4位于所述两个永磁体7的外侧。9.一维磁性纳米材料在平行磁场形成装置上排列时，需要调节支撑底座2使导磁板5表面保持水平。10.一维磁性纳米材料在平行磁场形成装置上排列时，带固定基片的容器要放置在导磁板的中心位置以保证容器底处于平行磁场上。11.本发明还提供了利用上述装置制备大面积排列一维磁性材料的方法。12.本发明所提供的利用上述装置制备大面积排列一维磁性材料的方法，包括以下步骤：13.a)对所采用的一维磁性材料进行预处理，然后放入溶剂中超声使其均匀分散在溶剂中形成一维磁性材料悬浮液；14.b)将基片放置于容器底部中心位置，然后把所述容器放置到所述平行磁场形成装置的导磁板的中心位置，最后快速将步骤a)制备的一维磁性材料悬浮液倒入容器中静置，在重力和平行磁力作用下所述一维磁性材料会下落并有序的排列在基片上；15.c)待所述一维磁性纳米材料有序阵列形成后，将容器中的溶液挥发去除，即可在所述基片上制备出了大面积均匀有序的一维磁性材料阵列。16.上述方法步骤a)中，所述一维磁性材料指带有磁性的一维有机和/或无机纳米材料(如纳米线等)。17.上述方法步骤a)中，对一维磁性材料进行预处理是指一维磁性材料表面电荷的增加或消除，这样能使一维磁性材料均匀的分散在溶液中。18.上述方法步骤a)中，所述溶剂可为水、乙醇或者水和乙醇的混合溶液。19.上述方法步骤b)中，所述容器的形状没有任何要求，其尺寸不能大于导磁板尺寸。20.上述方法步骤b)中，所述基片对材质没有具体要求，可为硅、石英、pc基片等，其尺寸要小于容器的尺寸。21.上述方法步骤b)中，所述基片是直接放置的容器底部，不需要外加固定。22.上述方法步骤b)中，所述静置的时间可为5-30分钟。23.所述方法还包括在步骤c)制备的大面积均匀有序的一维磁性材料阵列上重复步骤a)-c)的操作制备至少一层大面积均匀有序的一维磁性材料阵列。24.在最初制备的大面积均匀有序的一维磁性材料阵列上叠加制备时，可通过改变所述带有基片的培养皿在导磁板的中心位置(如逆时针水平旋转90°)，使基片上已有一维磁性材料的径向方向与平行磁场的方向发生改变(如培养皿逆时针水平旋转90°，一维磁性材料的径向方向与平行磁场的方向垂直)，从而使制备出的每层一维磁性材料阵列的径向方向不同。25.平行磁场形成装置主要是由永磁铁和导磁导磁板材根据一定结构组装成的。26.本发明基于大面积平行磁场排列一维磁性纳米材料的原理如图1和装置如图2所示，两个永磁体的ns极相对且保持一定距离，通过一个导磁板将永磁体原本在空气中的分布的磁场集中在导磁板内形成大面积平行磁场，当把分散均匀的一维磁性纳米材料悬浮液倒入在导磁板中心放置的容器中时，一维磁性纳米材料会在磁场力和重力的作用下沉积在容器底部形成有序阵列，最后把容器中的溶液去除，由于纳米线和基片之间的范德华力，纳米线将良好的吸附在基片上，从而就会制备出大面积一维磁性纳米材料有序阵列。27.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：28.1)本发明所需的装置简单、操作便捷可控、并且易于设计制造；29.2)本发明的排列方法可以很容易的实现对一维磁性材料厚度的调控以及多层的排列；30.3)本发明的平行磁场形成装置可以通过改变永磁铁的间距和导磁板的大小来调整平行磁场的分布，以满足不同一维磁性纳米材料和不同面积的样品制备制备需求；31.4)本发明可以制备出大面积均匀有序一维磁性纳米材料阵列，可用于制备微纳电子、光电以及电磁波防护等器件。附图说明32.图1是本发明中一维磁性纳米材料在平行磁场上的排列示意图，其中有：导磁板5，一维磁性纳米材料悬浮液8，玻璃容器9和基片10。33.图2是平行磁场形成装置示意图，图中各标记如下：1装置底板，2支撑底座，3固定前挡板，4固定架，5导磁板，6滑移槽，7永磁体。34.图3是实施例3制备的大面积排列单层ni纳米线阵列的照片。35.图4是实施例4制备的大面积排列双层正交的ni纳米线阵列的照片。具体实施方式36.下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。37.实施例1、平行磁场形成装置38.如图2所述，本发明所提供的平行磁场形成装置，它包括装置底板1、两个支撑底座2、两个固定前挡板3、两个固定架4、导磁板5、滑移槽6、两个永磁体7；所述两个支撑底座2位于所述装置底板1的下方，用于支撑装置底板1；所述两个固定前挡板3、两个固定架4、两个永磁体7均位于所述装置底板1上，一个固定前挡板3和一个固定架4用于固定一个永磁体7；所述装置底板1的一端设有用于固定前挡板3和固定架4的滑移槽6，便于调整两个永磁铁7之间的距离，导磁板5设于两个永磁铁7之间，放置在两个固定前挡板3上面。39.进一步的，所述两个固定前挡板3位于所述两个永磁体7之间，所述两个固定架4位于所述两个永磁体7的外侧。40.一维磁性纳米材料在平行磁场形成装置上排列时，需要调节支撑底座2使导磁板5表面保持水平。41.一维磁性纳米材料在平行磁场形成装置上排列时，带固定基片的容器要放置在导磁板的中心位置以保证容器底处于平行磁场上。42.实施例2、利用平行磁场形成装置制备大面积排列一维磁性材料43.利用大面积平行磁场形成装置排列一维磁性纳米材料的方法，包括以下步骤：44.(1)将一维磁性纳米材料放入溶液中，超声分散形成均匀分布的纳米材料悬浮液；45.(2)将底部放置有基片的容器放置到所述平行磁场形成装置的导磁板的中心位置，然后快速将纳米线悬浮液倒入容器中静置；46.(3)在重力和平行磁场力的作用下一维磁性纳米材料会下落并有序的排列在容器底部的基片上；47.(4)待一维磁性纳米材料有序阵列形成后，将容器中的溶液去除即可在基片上获得大面积的一维磁性材料有序阵列。48.本发明基于大面积平行磁场排列一维磁性纳米材料的原理如图1和装置如图2所示，两个永磁体的ns极相对且保持一定距离，通过一个导磁板将永磁体原本在空气中的分布的磁场集中在导磁板内形成大面积平行磁场，当把分散均匀的一维磁性纳米材料悬浮液倒入在导磁板中心放置的容器中时，一维磁性纳米材料会在磁场力和重力的作用下沉积在容器底部形成有序阵列，最后把容器中的溶液去除，由于纳米线和基片之间的范德华力，纳米线将良好的吸附在基片上，从而就会制备出大面积一维磁性纳米材料有序阵列。49.实施例3、利用平行磁场形成装置制备大面积排列单层ni纳米线阵列50.将直径300nm，长度20μm的镍纳米线(制备方法参考：xiang,w.f.；zhang,j.q.；liu,y.；etc“facile controlled synthesis and magnetic properties of high-aspectratio nickel nanowires prepared by the dropping method,”j.alloy.compd.693，2017，pp.257-263)利用去离子水和乙醇反复清洗，然后再放入10％的十六烷基三甲基溴化胺水溶液中浸泡后烘干，最后利用超声机使镍纳米线均匀分散在乙醇中形成悬浮液。51.在大面积平行磁场形成装置中，利用长宽高为3cm×3cm×3cm的钕铁硼永磁铁和长宽高为30cm×30cm×1cm铁板作为导磁板进行组装。52.将4英寸硅基片固定到直径为12cm的培养皿底部，然后将培养皿放置在平行磁场形成装置中导磁板的中心位置，再把分散好的ni纳米线悬浮液快速倒入培养皿中静置10分钟，然后将装置加热到60℃烘干6h，等水溶液挥发完毕即可在硅基片上制备出镍纳米线有序阵列。结果如图3所示。53.实施例4、利用平行磁场形成装置制备大面积排列双层正交的ni纳米线阵列54.将直径200nm，长度40μm的ni纳米线利用去离子水和乙醇反复清洗，然后再放入10％的十六烷基三甲基溴化胺水溶液中浸泡后烘干，最后利用超声机使纳米线均匀分散在乙醇中形成悬浮液。55.在大面积平行磁场形成装置中，利用长宽高为3cm×3cm×3cm的钕铁硼永磁铁和长宽高为30cm×30cm×1cm铁板作为导磁板进行组装。56.将4英寸硅基片固定到直径为12cm的培养皿底部，然后将培养皿放置在平行磁场形成装置中导磁板的中心位置，再把分散好的ni纳米线悬浮液快速倒入快速倒入培养皿中静置10分钟，然后将装置加热到60℃烘干6h，等水溶液挥发完毕即可在硅基片上制备出ni纳米线有序阵列。57.再将所述带有基片的培养皿在导磁板的中心位置逆时针水平旋转90°，使基片上已有ni纳米线的径向方向与平行磁场的方向垂直，然后再把分散好的ni纳米线悬浮液快速倒入培养皿中静置10分钟，最后将装置加热到60℃烘干6h去除容器中的水溶液，就可在基片上制备出双层正交的ni纳米线有序阵列。结果如图4所示。