静电自组装薄膜的制备和研究

《静电自组装薄膜的制备和研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、静电自组装薄膜的制备和研究一、实验目的1.掌握半菁类染料合成的一般方法。2.掌握静电自组装膜的制备原理和方法。3.了解薄膜的一般表征方法和薄膜的重要应用前景。4.从文献的检索、分析与利用、实验方案的设计和实施、结果与分析、论文的撰写到信息交流等科学研究环节上进行较为全面的初步训练，提高科学研究能力。5.熟悉紫外-可见光谱仪和荧光光谱仪的一般使用方法。二、实验原理当今高科技的发展，要求计算机的运算速度越来越快，计算机基础器件的大规模集成度越来越高，元件尺寸越来越小。而传统硅器件的微米尺寸已接进器件的下限尺寸。加之纳米尺寸电子器件由于不存在热力学和量子力学的障碍，将

2、增加信号处理速度，降低能量消耗。因此，纳米级器件，尤其基于纳米级超薄有序膜的分子器件的研究已成为世界科技大国重点投资的高技术领域。因此，纳米尺寸厚度的超薄膜在分子电子学、生物传感器、非线性光学器件和发光二极管等众多领域有着十分广阔的应用前景。有机-无机杂化材料的超薄膜不仅兼具有机材料结构多变，易于裁剪的特点，而且引入了金属离子的光、磁、电和热等性质。由于组分间可能发生的电子转移和能量转移，还可能使超薄膜材料具有预想不到[1-5]的功能。1自组装膜由于分类的角度不同可以有许多种分类方法。譬如可从材料的角度将自组装膜分为小分子和聚合物两类，也可从自组装膜层数不同分为

3、单层和多层膜，还可从自组装成膜时的键型来划分，可分为共价键或配位键自组装膜、氢键自组装膜、静电自组装膜等，下面以自组装成膜时的键型为依据分类作简单介绍：1．共价(或配位)自组装膜在共价(或配位)键型的自组装膜中，研究最多的一个体系是有机硫族化合物[3]在金属如Au、Ag、Cu、Pt等(尤其是金)为基底的表面形成的自组装膜。这种膜是通过有机硫化物中硫原子与基片表面金属原子形成配位键而形成的。常用的有机硫化物见图1。图1形成自组装膜常用的有机硫化物[6]图2为通过共价键形成多层自组装膜的例子。第一层为通过硅氧共价键形成的自组装膜，裸露的烷基氯与对二羟氨基苯基偶氮吡啶

4、反应生成嗡盐，又裸露出羟基，重复上述操作，制得多层膜。嗡基是强的电子受体(electronacceptor)，二羟氨基是强的电子给体(electrondonor)，二者中间是π共轭体系，这样的结构和本实验合成的半菁染料同属D-π-A结构的分子。由图2所示的膜结构可见，膜中半菁分子的偶极距按相同的方向排列，分子偶极矩矢量相加的结果，使薄膜表现2出强的二阶非线性光学响应。[7]图3为可用于通过配位健形成自组装多层薄膜的化合物分子结构。一端带有配位基团羟肟酸的二硫化物(图3中的化合物1)经二硫化物头基与金基底形成4+共价自组装膜后，裸露出可配位的羟肟酸基团；此基片插入

5、含有金属离子Zr或4+4+4+Ce的溶液中后，裸露的羟肟酸与Zr或Ce配位；然后将基片交替插入两端带4+4+有配位基团羟肟酸的成膜材料2的溶液和Zr或Ce的溶液中，可形成如图4所示的多层膜。图2经过硅烷水解形成的共价自组装薄膜(其中R=(CH2)3OH)312图3用于形成配位共价键所用材料的分子结构图4通过配位健形成的自组装多层薄膜的组装过程2．氢键自组装膜4张希、王力彦等在甲醇溶液而不是在水中成功地制备了聚(4-乙烯吡啶)和聚[8]丙烯酸的交替多层膜。该膜的制备过程(图5)和基于静电作用制备超薄膜的过程相似，但成膜的驱动力是层间羧酸基团和吡啶基团间的氢键相互作

6、用，并得到红外光谱的证实。单层膜的厚度可通过改变聚合物溶液的浓度和相对分子质量在[9]纳米尺度上调控。图5聚(4-乙烯吡啶)和聚丙烯酸交替多层膜组装示意图3．静电自组装膜(Electrostaticself-assembledfilm)[10]1991年,Decher首先通过静电相互作用在基片上交替沉积带相反电荷的聚阴离子(polyanion)聚阳离子(polycation)和制备了超薄膜，这种通过静电作用制备的超薄膜称为静电自组装膜。这种自组装膜技术，只需将离子化基片交替浸入带有相反电荷的聚电解质溶液中放置一段时间，取出冲洗干净，循环以上过程就可得到多层体系，

7、其沉积过程如图6所示。改变聚合物浓度及离子浓度，膜厚就可在纳米尺度上微调。这种膜的有序度虽不及Langmuir-Blodgett(LB)膜高，但由于其制备简单，热稳定性及机械稳定性好，近年来已被广泛接受。研究表5明，很多类型的带正电荷和负电荷的物种均可代替聚阴离子和聚阳离子形成均匀沉积的自组装膜。图6静电自组装膜的成膜过程[11]半菁(Hemicyanin)染料是一类具有应用前景的二阶非线性光学和光电转[12]化材料。杂多酸(Heteropolyacid)或杂多酸盐(也称为多金属氧酸盐Polyoxometalate)是一类性能优异的无机材料，在催化、光致和电致变

8、色、分子电[13][14