一种通过调节湿度控制胶体晶薄膜厚度的制备方法
阅读说明：本技术 一种通过调节湿度控制胶体晶薄膜厚度的制备方法 (Preparation method for controlling thickness of colloidal crystal film by adjusting humidity ) 是由 钱卫平 董傲 于 2021-01-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种通过调节湿度控制胶体晶薄膜厚度的制备方法,采用垂直沉积法,通过在密闭箱中放置水、饱和盐溶液或干燥剂来调节制备环境的相对湿度,将亲水处理的基底竖直放置在配制的一定质量浓度的二氧化硅纳米颗粒醇悬浮液中,将包含悬浮液和基底的生长容器置于控制湿度的密闭箱中,制备2～7天,得到大面积的厚度可控的二氧化硅胶体晶薄膜。本发明的二氧化硅胶体晶薄膜制备方法解决了以往不同季节制备得到的薄膜质量参差不齐的问题,可不受季节影响地重复制备大面积、具有可控的物理厚度、稳定的光学性质的二氧化硅胶体晶薄膜,并从原理上解释了控制湿度的必要性。(The invention discloses a preparation method for controlling the thickness of a colloidal crystal film by adjusting humidity, which comprises the steps of adopting a vertical deposition method, adjusting the relative humidity of a preparation environment by placing water, saturated salt solution or drying agent in a closed box, vertically placing a substrate subjected to hydrophilic treatment in a prepared silicon dioxide nanoparticle alcohol suspension with certain mass concentration, placing a growth container containing the suspension and the substrate in the closed box with humidity control, and preparing for 2-7 days to obtain a large-area silicon dioxide colloidal crystal film with controllable thickness. The preparation method of the silica colloidal crystal film solves the problem of uneven quality of the film prepared in different seasons, can repeatedly prepare the silica colloidal crystal film with large area, controllable physical thickness and stable optical property without being influenced by seasons, and explains the necessity of controlling humidity in principle.)
技术领域
本发明涉及一种通过调节湿度控制胶体晶薄膜的制备方法，属于纳米材料自组装领域。
背景技术
制备二氧化硅胶体晶薄膜的方法有很多，按是否有外力参与可以分为两类。相较于有外力参与的制备方法(如旋涂法、提拉法、外加电场沉积法等)，无外力参与的制备方法虽然制备时间较长，但是制备得到的薄膜具有更好的晶体结构，这带来了更好的光学性质。
垂直沉积法即为最常见的无外力参与的制备方法,它是将基底片垂直插入具有纳米颗粒的乙醇或水悬浮液中，一段时间后得到胶体晶薄膜，通过控制悬浮液浓度来控制制备的胶体晶薄膜厚度。然而，在使用传统的垂直沉积法重复制备二氧化硅胶体晶薄膜时往往得不到厚度一致的薄膜材料，我们发现是环境湿度不同造成以上结果。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提供一种通过调节湿度控制胶体晶薄膜厚度的制备方法，该方法可重复、快速制备大面积、高质量二氧化硅胶体晶薄膜。
技术方案：本发明所述一种通过调节湿度控制胶体晶薄膜厚度的制备方法，所述制备方法为垂直沉积法，所述制备方法通过调节制备环境的湿度制备得到不同厚度的二氧化硅胶体晶薄膜。
进一步地，所述调节环境湿度采用水、饱和盐溶液或干燥剂将相对湿度控制在5～99％。
进一步地，所述饱和盐溶液包含氯化锂、碳酸钾、乙酸钾、氯化钠、氯化钾饱和盐溶液中的一种。
进一步地，所述饱和盐溶液配置时盐须过量30％以上，以确保饱和盐溶液不会因为吸收水蒸气而变得不饱和。
进一步地，所述干燥剂为无水氯化钙和硅胶干燥剂中的一种或两种。
进一步地，所述垂直沉积法中使用的悬浮液溶剂为乙醇或甲醇。
进一步地，所述垂直沉积法中采用的二氧化硅悬浮液颗粒的粒径为100～280nm。
进一步地，所述垂直沉积法中二氧化硅醇悬浮液的二氧化硅颗粒的质量浓度范围为5～15g/L。
进一步地，所述垂直沉积法中采用的基底片为玻璃载玻片或单晶硅片。
进一步地，所述垂直沉积法中采用的基底片需经食人鱼溶液浸泡处理。
其中，对环境湿度控制的原因可以由式(1)解释，该公式对原有的胶体晶薄膜厚度公式进行了改进：
T是胶体晶薄膜的物理厚度，l是悬浮液在基底润湿形成的润湿膜的长度，ρ是二氧化硅颗粒所占悬浮液的质量浓度，jm是润湿膜的蒸发速率，je是悬浮液的蒸发速率。首先悬浮液中的溶剂蒸发速率远大于水，悬浮液溶剂吸水后蒸发速率降低，且含水量越高，蒸发速率越低，如图1所示，在高湿度环境中，由于润湿膜很薄，吸收水蒸气后含水量变高，蒸发速率(即jm)下降很多；而悬浮液体积很大吸收水蒸气后含水量变化不大，蒸发速率(即je)下降不大，由式(1)可以得出胶体晶薄膜的物理厚度变小。
有益效果：与现有技术相比，本发明具备以下显著优点：
(1)本发明所使用的水、饱和盐溶液或干燥剂控制湿度的方法相较于使用湿度仪控制湿度具有以下优点：湿度控制稳定、控制的湿度范围大，可以将相对湿度控制在5～99％；一次制备可反复使用，且不需要提供额外的电能；不会带来空气扰动和制备平台的振动，非常有利于胶体晶薄膜的组装，不仅可以用于制备二氧化硅胶体晶薄膜，也可用醇溶胶为原料制备的胶体晶薄膜；其中无水氯化钙作为干燥剂可以吸收塑料箱里空气中的气体乙醇，防止气体乙醇浓度过大使悬浮液蒸发速度减慢从而导致二氧化硅胶体晶薄膜组装速度减慢。
(2)通过控制湿度，制备得到的二氧化硅胶体晶薄膜厚度更加可控，且可重复性高；所使用的湿度控制方法避免了空气扰动使得制备得到的二氧化硅胶体晶薄膜厚度更加均匀，可达到在100mm2内厚度波动小于3％的均匀度。薄膜的厚度均匀性可对着光源进行肉眼观察，由于干涉效应会增强某些波长的光，所以薄膜颜色一致的区域厚度均匀，观察方便。
(3)本发明提出使用甲醇作为悬浮液溶剂，相较于乙醇，甲醇拥有更快的蒸发速率，本方法用乙醇制备二氧化硅胶体晶薄膜组装的速度约为1.8mm/day，本方法用甲醇制备二氧化硅胶体晶薄膜组装的速度最高可达约为6.2mm/day，制备速度提高了3倍以上，更适合工业生产。
附图说明
图1为调节环境湿度控制二氧化硅胶体晶薄膜厚度原理图；
图2为制备二氧化硅胶体晶薄膜的生长装置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1在单晶硅片上制备低厚度二氧化硅胶体晶薄膜
制备二氧化硅胶体晶薄膜的生长装置如图2所示，(1)在烧杯中加入300mL纯水，将装水的烧杯放置在密闭透明塑料箱中，塑料箱内装有湿度计，盖好盖子，约12h后观察塑料箱中湿度计，此时塑料箱内相对湿度达到99％。
(2)以乙醇为溶剂配置质量浓度为5g/L的190nm二氧化硅醇悬浮液装入染色缸中，经食人鱼溶液浸泡处理过的单晶硅片作为基底片，将其竖直插入装有二氧化硅乙醇悬浮液的染色缸中。
(3)将装有二氧化硅乙醇悬浮液的染色缸置入步骤(1)中的透明塑料箱中，7天后取出单晶硅片即可。
将上述步骤(3)得到的单晶硅片用“干涉法”测量厚度。得到二氧化硅胶体晶薄膜在面积大于20mm2内厚度范围在500±15nm。测量胶体晶薄膜长度后除以组装时间(7天)，可算出组装速度约为1.8mm/day。
实施例2在玻璃片上制备高厚度二氧化硅胶体晶薄膜
(1)在烧杯中加入400g无水氯化钙，将烧杯放置在密闭透明塑料箱中，塑料箱内装有湿度计，盖好盖子，约24h后观察塑料箱中湿度计，此时塑料箱内相对湿度达到5％。
(2)以乙醇为溶剂配置质量浓度为15g/L的190nm二氧化硅醇悬浮液装入染色缸中，经食人鱼溶液浸泡处理过玻璃载玻片作为基底片，将其竖直插入装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸中。
(3)将装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸置入步骤(1)中的透明塑料箱中，7天后取出玻璃载玻片即可。
将上述步骤(3)得到的玻璃片用“干涉法”测量厚度。得到二氧化硅胶体晶薄膜在面积大于100mm2内厚度范围在3500±90nm。测量胶体晶薄膜长度后除以组装时间(7天)，可算出组装速度约为1.8mm/day。
实施例3在玻璃片上制备高厚度二氧化硅胶体晶薄膜
(1)在烧杯中加入400g无水氯化钙，将烧杯放置在密闭透明塑料箱中，塑料箱内装有湿度计，盖好盖子，约24h后观察塑料箱中湿度计，此时塑料箱内相对湿度达到5％。
(2)以乙醇为溶剂配置质量浓度为15g/L的100nm二氧化硅醇悬浮液装入染色缸中，经食人鱼溶液浸泡处理过玻璃载玻片作为基底片，将其竖直插入装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸中。测量胶体晶薄膜长度后除以组装时间(7天)，可算出组装速度约为1.8mm/day。
(3)将装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸置入步骤(1)中的透明塑料箱中，7天后取出玻璃载玻片即可。
将上述步骤(3)得到的玻璃片用“干涉法”测量厚度。得到二氧化硅胶体晶薄膜厚度范围在3500±50nm。
实施例4在玻璃片上制备高厚度二氧化硅胶体晶薄膜
(1)在烧杯中加入400g无水氯化钙，将烧杯放置在密闭透明塑料箱中，塑料箱内装有湿度计，盖好盖子，约24h后观察塑料箱中湿度计，此时塑料箱内相对湿度达到5％。
(2)以乙醇为溶剂配置质量浓度为15g/L的280nm二氧化硅醇悬浮液装入染色缸中，经食人鱼溶液浸泡处理过玻璃载玻片作为基底片，将其竖直插入装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸中。
(3)将装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸置入步骤(1)中的透明塑料箱中，7天后取出玻璃载玻片即可。
将上述步骤(3)得到的玻璃片用“干涉法”测量厚度。得到二氧化硅胶体晶薄膜厚度范围在3500±150nm。测量胶体晶薄膜长度后除以组装时间(7天)，可算出组装速度约为1.8mm/day。
实施例5快速制备低厚度二氧化硅胶体晶薄膜
(1)配置盐过量30％的氯化钾饱和盐溶液并加入烧杯中，将烧杯放置在密闭透明塑料箱中，塑料箱内装有湿度计，盖好盖子，约18h后观察塑料箱中湿度计，此时塑料箱内相对湿度达到71％。
(2)以甲醇为溶剂配置质量浓度为5g/L的190nm二氧化硅醇悬浮液装入染色缸中，经食人鱼溶液浸泡处理过玻璃载玻片作为基底片，将其竖直插入装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸中。
(3)将装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸置入步骤(1)中的透明塑料箱中，3天后取出玻璃载玻片即可。
将上述步骤(3)得到的玻璃片用“干涉法”测量厚度。得到二氧化硅胶体晶薄膜在面积大于50mm2内厚度范围在500±15nm。测量胶体晶薄膜长度后除以组装时间(3天)，可算出组装速度约为4.3mm/day。
实施例6超快速制备二氧化硅胶体晶薄膜
(1)在烧杯中加入200g无水氯化钙和200g硅胶干燥剂，将烧杯放置在密闭透明塑料箱中，塑料箱内装有湿度计，盖好盖子，约24h后观察塑料箱中湿度计，此时塑料箱内相对湿度达到5％。
(2)以甲醇为溶剂配置质量浓度为7g/L的190nm二氧化硅醇悬浮液装入染色缸中，经食人鱼溶液浸泡处理过玻璃载玻片作为基底片，将其竖直插入装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸中。
(3)将装有二氧化硅甲醇悬浮液的染色缸置入步骤(1)中的透明塑料箱中，2天后取出玻璃载玻片即可。
将上述步骤(3)得到的玻璃片用“干涉法”测量厚度。得到二氧化硅胶体晶薄膜在面积大于50mm2内厚度范围在1430±40nm。测量胶体晶薄膜长度后除以组装时间(2天)，可算出组装速度约为6.2mm/day。
实施例7调节湿度制备不同厚度的二氧化硅胶体晶薄膜
(1)分别配置盐过量30％的氯化锂、碳酸钾、乙酸钾、氯化钠、氯化钾饱和盐溶液置入不同烧杯中，将每只烧杯单独放置在密闭透明塑料箱中，塑料箱内装有湿度计，盖好盖子，约24h后观察塑料箱中湿度计，此时不同塑料箱内相对湿度对应显示约为：氯化锂(31％)、碳酸钾(38％)、乙酸钾(51％)、氯化钠(64％)。
(2)以乙醇为溶剂配置质量浓度为13g/L的190nm二氧化硅醇悬浮液装入染色缸中，经食人鱼溶液浸泡处理过玻璃载玻片作为基底片，将其竖直插入装有二氧化硅醇悬浮液的染色缸中。
(3)将装有二氧化硅甲醇悬浮液的染色缸分别置入步骤(1)中的4个透明塑料箱中，7天后取出玻璃片即可。
将上述步骤(3)得到的玻璃片用“干涉法”测量厚度。得到二氧化硅胶体晶薄膜厚度范围与相对湿度对应如下：相对湿度为31％时，二氧化硅胶体晶薄膜厚度范围为1910±80nm，相对湿度为38％时二氧化硅胶体晶薄膜厚度范围为1583±70nm，相对湿度为51％时，二氧化硅胶体晶薄膜厚度范围为1362±13nm，相对湿度为64％时，二氧化硅胶体晶薄膜厚度范围为1055±13nm。
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