直流电场诱导制备图案化纳米线阵列的方法

本发明属于纳米材料制备，具体的涉及一种直流电场诱导制备图案化纳米线阵列的方法。

背景技术：

1、纳米粒子的调控组装是纳米科技发展的重要组成部分，是探索纳米材料性能及其应用的基础。诺贝尔奖获得者feynman曾经预言：“如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制，就能使物体得到大量异乎寻常的特性，材料的性能会产生丰富的变化”。而相比控制纳米材料的尺寸、种类、形貌等方面，控制其空间构型(包括组装基元的空间排列方式及组装体的结构参数等)往往能更有效地调节宏观性能。

2、有关图案化纳米线阵列的制备方法，前期已进行了大量研究并且申请了相关专利。大致可分为两大类，一是利用催化剂或晶种诱导的方法，使纳米线能够选择性地生长在催化剂与晶种存在的地方，从而形成图案化的纳米线阵列，如薛方红等以多孔阳极氧化铝为模板，采用化学沉积法制备超晶格纳米线阵列，如“一种制备碲-碲化铅纳米晶组装超晶格纳米线阵列的方法(cn201410000512.8)”；许晓斌等通过掩模法，对晶种层进行图案化蚀刻，然后在水热条件下进行晶体生长，最终得到图案化的纳米线阵列，如“一种制备图案化氧化锌纳米线阵列的方法(cn113415820a)”；黄俊等以导电玻璃为基底，在其上进行水热合成，煅烧，蚀刻等处理工艺，最终得到纳米晶阵列，如“一种超细tio2纳米晶阵列及其制备方法(cn201810871136.8)”。尽管上述方法都取得了较好的制备效果，但受限于现有技术手段，其一般都包含纳米线在基底缓慢生长的步骤，虽然该步骤可以精准控制图案化纳米线阵列的生成过程，但纳米线生长速度一般较慢，且需要对反应环境进行精准控制，严重影响了图案化纳米线阵列的应用推广。

3、二是将已制备好的纳米线放入特定的组装环境中，通过对反应体系的调控，使纳米线在特定位置中进行组装，从而形成图案化的纳米线阵列，该方法以介电泳调控组装最为常见。谢淑婷等通过结合液滴间光学相互作用、光束颜色变化特性及电场的介电泳效应来驱动液晶液滴实现液晶液滴的图案化组装，如“基于介电泳效应液晶液滴图案化器件、制备方法及其应用(cn116594236a)”；邵金友等通过对银纳米粒子悬浮液施加高频交流电，使其在具有光刻胶导向作用下的微电极系统中进行正介电泳力组装，形成有序银纳米微结构，如“基于银纳米粒子介电泳组装的有序纳米微结构制造方法(cn103193194b)”。尽管介电泳诱导组装具有非常高的组装精度，但受限于介电泳力的作用范围，其电极距离通常只能控制在微米范围内，导致受介电泳操控的有效区域较小，这无疑增加了组装的难度，难以大规模量产。因此，现有技术中急需一种可以缩短制备时间，成本低廉且可以大规模量产的图案化纳米线阵列的制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种直流电场诱导制备图案化纳米线阵列的方法，以提高图案化纳米线阵列的生产效率，降低生产成本。

2、本发明所述的直流电场诱导制备图案化纳米线阵列的方法，由以下步骤组成：

3、(1)根据需要制备的图案化纳米线阵列的样式，设计并加工图案化ito玻璃作为电极及基底；

4、(2)将纳米线、水、有机溶剂、表面活性剂以及助表面活性剂进行混合并乳化，形成微乳液；

5、(3)将两片ito玻璃置于微乳液中，导电一侧面对面平行放置构成平行平板电极，并向电极之间加载直流电；

6、(4)对步骤(2)制备的微乳液进行恒温蒸发，直至有机溶剂蒸发完毕，取出图案化ito玻璃并用去离子水清洗、烘干；

7、(5)使用显影液对ito玻璃上剩余的光刻胶进行去除，并用氮气吹干后得到图案化纳米线阵列。

8、其中：

9、步骤(1)中图案化ito玻璃的加工过程，由以下步骤组成：

10、①在洁净的ito玻璃的导电面上涂敷光刻胶；

11、②将涂敷有光刻胶的ito玻璃烘干，促使光刻胶膜干燥；

12、③在图案化演模板的遮盖下，采用深紫外光对涂敷有光刻胶的ito玻璃进行选择性曝光，促使受光照部位的光刻胶发生反应；

13、④将曝光后的ito玻璃置于显影液中显影，显影后取出ito玻璃再次烘干，促使未显影的光刻胶膜坚固，得到图案化ito玻璃。

14、步骤(2)中所述微乳液，以质量百分数计，由以下原料组成：纳米线1-3％、水80-85％、有机溶剂5-15％、表面活性剂2-6％、助表面活性剂1-3％。

15、步骤(2)中所述纳米线为tio2纳米线、金纳米线、碳纳米线、硅纳米线、银纳米线或铜纳米线中的一种。

16、步骤(2)中所述的有机溶剂为环己烷、甲苯或含7-12个碳原子的正构烷烃中的一种或多种，其中，含7-12个碳原子的正构烷烃为正庚烷、正辛烷、正癸烷或正十二烷中的一种。

17、步骤(2)中所述的表面活性剂为阴离子型表面活性剂或阳离子型表面活性剂中的一种；阴离子型表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种；阳离子型表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵、十二胺或十二烷基三甲基溴化铵中的一种或多种。

18、步骤(2)中所述的助表面活性剂为正丁醇、甘油或乙二醇中的一种或多种。

19、步骤(2)中所述乳化方式为超声波乳化。

20、步骤(3)中所述的两片ito玻璃，其中一片为步骤(1)制备得到的图案化ito玻璃，另一片为普通ito玻璃；且图案化ito玻璃的放置位置与步骤(2)中选择的表面活性剂类型有关，当表面活性剂为阳离子型表面活性剂时，图案化ito玻璃与直流电源负极相连接，普通ito玻璃与直流电源正极相连接；当表面活性剂为阴离子型表面活性剂时，图案化ito玻璃与直流电源正极相连接，普通ito玻璃与直流电源负极相连接。

21、步骤(3)中加载的直流电的电压为0.1-300v；所述的平行平板电极之间的距离为5-100mm。

22、步骤(4)中恒温蒸发温度为20-50℃；烘干温度为80-130℃。

23、步骤(5)中显影液应与ito玻璃上剩余的光刻胶相匹配。

24、本发明所述的直流电场诱导制备图案化纳米线阵列的方法，将纳米线封装在有机溶剂/水形成的微乳液球形胶体内，通过调控微乳液组份及比例，调整球形胶体尺寸及其内纳米线的封装数量。同时，通过调控表面活性剂种类及添加量，调整球形胶体表面的电荷分布，从而可以在不增加电压的情况下提高球形胶体在电场中所受的电场力。由于有机溶剂和水的介电常数不同，电场线会在球形胶体内强烈弯曲，这种形变行为促进了球形胶体内电场的二次增长。球形胶体内纳米线产生的感应电荷增多，所受介电泳力增大。在直流电场作用下，球形胶体根据自身所带电荷情况，在电场力作用下，向电极一侧运动；而球形胶体内的纳米线在介电泳力作用下发生位移，实现有序化。随着有机溶剂的蒸发，球形胶体逐渐浓缩，纳米线被析出，从而在基底进行有序排列。而受电极的图案化设计，纳米线的排列也将呈图案化排列，最终得到图案化纳米线阵列。

25、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

26、本发明所述的直流电场诱导制备图案化纳米线阵列的方法，避免了纳米线在基底缓慢生长的环节，可以在适宜条件下首先大规模的合成纳米线，再引入直流电场，通过对电极的图案化设计，调控纳米线的受力方向，实现纳米线在基底的有序排列，从而形成图案化纳米线阵列。该方法对反应条件的控制精度降低，所需的设备更加简单、操作更为简便，大幅度提高了生产效率，十分适合图案化纳米线阵列的快速大面积制备。