基于液体限域控制微纳米颗粒的精细组装和图案化

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实现不同尺寸颗粒的精细组装对于制备复杂结构和功能材料具有重要意义。目前已经被广泛研究的精细灵活地调控颗粒组装的方法,主要采用控制颗粒之间的特异性相互作用,例如通过对颗粒表面进行特异性分子修饰,调控外场诱导功能性颗粒间的方向性偶极相互作用,或者利用特定极性的溶剂调控具有图案化表面的颗粒间的疏溶剂作用等。但是这些方法需要对颗粒进行特异性修饰或外场,而且控制组装结构的长程取向也受到固有的限制。通过普适便捷的纳米印刷方法,实现无需特异性修饰或功能化的颗粒的精确组装,对微纳米颗粒的精细图案化尤为重要。本论文从精细调控颗粒的组装或共组装行为的角度出发,采用建立毛细液桥的方法设计液体限域体系,通过调控液体限域空间和液体的粘度,有效地控制了限域体系内颗粒的组装过程。液体干燥移去模板后,在基底上得到可复制的微结构图案,模板可以重新利用。这种利用液体限域控制颗粒组装的方法适用于多种材料和尺寸的颗粒,这对制备新的光电器件具有重要的应用价值。本论文开展的主要研究工作如下:  1.提出了一种利用液体软限域的方法,实现颗粒的程序化共组装,制备多种一维二元有序结构并实现结构的图案化。  采用硅柱模板控制蒸发诱导的颗粒悬浮液的液膜破裂,建立可控的毛细限域空间。通过调节硅柱的高度和基底的后退角调节液体的限域空间,使得不同大小的颗粒在组装时具有可控的时间选择和位点选择性(大颗粒首先在中间宽广的区域限域组装,并作为模板,使后来被限域的小颗粒在其他空隙处与大颗粒共组装)。通过控制液体的限域空间和颗粒组成,实现了颗粒的程序化共组装,制备了多种一维二元有序结构。采用图案化带状硅柱模板控制图案化的液体限域体系。其中颗粒的运动路径可以被有效地控制,共组装结构能够按照设定的取向弯折,有效地实现了共组装结构的可控图案化。  2.基于液体限域的方法,实现了不对称一维二元共组装结构。  采用带状带状硅柱顶端与基底紧密接触,颗粒被外向的毛细流带动输运时,由于被硅柱阻挡,聚集在硅柱的一侧。随着溶剂的蒸发,毛细桥也被带状硅柱分为两部分,在颗粒聚集的一侧,大小颗粒在液体软限域下进行程序化共组装,制备了不对称一维二元共组装结构。进一步从实验上和理论上研究了硅柱高度和液桥宽度的关系,提出了控制不同粒径的颗粒组装的理论依据。这种利用液体限域控制形成不对称的一维二元共组装结构进一步展示了颗粒组装结构的多样性和新颖性,并对液体限域的控制有了更深入的理解。  3.基于液体限域颗粒组装,通过控制组装体系的粘度控制了颗粒的限域组装过程,实现了线型、锯齿型、拉链型和双锯齿缠绕型组装结构的精细调控。  液体限域下的颗粒组装过程中,首先产生了中间态结构,然后在中间态向最终组装结构的转变过程受到体系粘度的影响:体系的高粘度会阻碍颗粒重排为密堆积结构,有利于形成锯齿型或双锯齿缠绕型组装结构;在低粘度体系中,颗粒将重排为密堆积结构以降低体系的表面能,这样有利于形成线型或拉链型组装结构。通过控制溶剂的粘度和液体限域宽度与颗粒粒径的比例,实现了不同组装结构图案的控制制备。这种便捷有效的精细控制颗粒组装的方法在柔性电子、光波导和光学调制方面有潜在的应用。
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