本發明專利技術提供了一種基于計算機模擬的熱處理輔助自組裝膠態晶體及其制備方法，該方法通過建立用于門特卡羅算法優化膠態晶體工藝參數的物理模型，并通過該模型模擬預言最優的自組裝溫度等工藝參數；同時結合勻膠法，調控組裝小球晶體時的其他若干參數，獲得大面積的膠態單晶。本發明專利技術創建了膠態晶體在考慮液體蒸發的情形下的理論模型。基于該理論模型，引入了計算機模擬，極大地提高了自組裝膠態晶體的效率。該模型所用的算法高效便捷，不要求很大的計算資源，但得到的結果與實驗高度吻合。本發明專利技術闡述了所用的方法，至于具體執行該方法的代碼可以有多種。制備的膠態晶體的方法不僅適用于大范圍尺寸的小球組裝，也可以適用于不同種類的微納小球組裝。
【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術提供了，該方法通過建立用于門特卡羅算法優化膠態晶體工藝參數的物理模型，并通過該模型模擬預言最優的自組裝溫度等工藝參數；同時結合勻膠法，調控組裝小球晶體時的其他若干參數，獲得大面積的膠態單晶。本專利技術創建了膠態晶體在考慮液體蒸發的情形下的理論模型。基于該理論模型，引入了計算機模擬，極大地提高了自組裝膠態晶體的效率。該模型所用的算法高效便捷，不要求很大的計算資源，但得到的結果與實驗高度吻合。本專利技術闡述了所用的方法，至于具體執行該方法的代碼可以有多種。制備的膠態晶體的方法不僅適用于大范圍尺寸的小球組裝，也可以適用于不同種類的微納小球組裝。【專利說明】
本專利技術涉及膠態晶體制備
，具體涉及ー種基于計算機模擬的熱處理輔助自組裝膠態晶體。
技術介紹
隨著人們對于化學可控合成技術的逐步掌握，小球組裝成的周期性陣列結構即膠態晶體引起了科技工作者的極大興趣。這是因為膠態晶體有著多方面的應用，比如它可以用于納米印刷術，光電自學，數據存儲，生物傳感，表面等離子體和光子晶體等。其中，膠態晶體在納米印刷方面的作用，有望取代昂貴而耗時的電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕、光刻等設備，在エ業化浪潮中發揮不可替代的作用。該技術與エ業化生產高度兼容，成本低廉，產量大，可重復性好。目前制備光子晶體的技術有多種，比如勻膠法、電場輔助自組裝法、提拉法、撈膜法，以及限域蒸發自組裝法等。然而，這 些方法要么只能制備局部單晶，難以得到大面積的膠態晶體；要么生產過程過于復雜，生產周期長和需要特別裝置等，不利于作為エ業化應用的膠態晶體生產方法加以推廣。此外，撈膜法對手工技術要求比較高，難以重復；提拉法帶來的振動會不可避免地破壞膠態晶體的自組裝，難以得到完美的小球周期性排列單晶結構。近期，我們提出了傾斜自組裝膠態晶體(專利申請號:20121049348.7)，該方法對實驗裝置的要求非常簡單，可以得到大面積(例如2英寸的圓硅片)的膠態晶體，但是該方法需要通過大量的實驗嘗試，才能找出“最佳”的實驗條件，而用不同直徑的微納米球體構筑不同的周期性膠態晶體結構的實驗條件是有差別的。因此，通過計算模擬預言實驗參數、提高實驗制備膠態晶體エ藝的通用性和產業化效率顯得尤為重要。然而，眾所周知，通過建立模型，利用計算機模擬來預言實驗參數(尤其是考慮液體蒸發時)，是ー個非常困難的課題(Woodley等，Nature Materials2008, 7, (12))。目前沒有任何的文獻或者專利報道。
技術實現思路
為了解決上述問題，本專利技術的目的是提供ー種基于計算機模擬的熱處理輔助自組裝膠態晶體。本專利技術的另一目的是提供一種制備基于計算機模擬的熱處理輔助自組裝膠態晶體的方法。首先，本專利技術提供了ー種基于計算機模擬的熱處理輔助自組裝膠態晶體，該晶體通過建立用于門特卡羅算法的優化膠態晶體エ藝參數的數學模型，并通過該模型模擬預言最優的自組裝溫度等エ藝參數；同時結合勻膠法，調控組裝小球晶體時的其他若干參數，如小球的分散系和膠液的濃度，獲得大面積(幾乎整個基片)的膠態單晶。其中，所述膠態晶體エ藝參數的數學模型建立步驟如下:第一步設定初始構型(初態):I)成核點:隨機在網格中選擇某些格點，作為成核點；2)占據格點:以一定的概率占據格點，均勻分布；格點可以分為三類:未占據(0)，占據且周圍全部占據(2)，本身占據且周圍只有部分占據(I);第二步演化規則:I)隨機在占據格點中選擇ー個周圍有空位的格點(label為I的點)；2)找到所選格點最近的成核點；3)計算占據格點到周圍空位的遷移概率，以P=exp為權重，其中U=U0-ln (r)，Uc=U0-ln (rc)，認為U0是與溫度有關的函數，U。是移動前膠態晶體陣列的勢能，U是移動后的勢能，k代表玻爾茲曼常數、T代表自組裝溫度，r。代表格點與成核點間的距離；ln(r)的形式是考慮到粒子間所有相互作用，毛細作用カ的勢能占最主要作用；列出所有可能的遷移方向并按概率選出ー個方向；4)計算可能的遷移方向，如果勢能有所減小，則接受這次試探行走；如果能量增カロ，則以P=exp 為接受概率；即所述接受概率為min {1，exp }；5)如果有所移動，計算移動所產生的能量變化，監測能量變化，并重新標記移動涉及的各個格點；6)重復以上步驟，直至能量基本不再變化時(對應的物理情景就是膠液干燥的情形)即得出最優參數。該模型通過計算機模擬預言自組裝參數，結合熱處理，從而高效便捷地實現大面積小球晶體的自組裝。本專利技術的物理模型所涉及的蒙特卡羅算法實現代碼有多種，只要不脫離該算法和物理模型的范疇就是該專利所保護的范圍。更進一歩地，本專利技術提供了一種自組裝膠態晶體的制作方法，其具體步驟如下: (I)對基底按標準的RCA程序進行清洗；(2)把清洗干凈的基底放入過氧化氫和濃硫酸的混合液中進行親水化處理；(3)把直徑為IOOnm-3 ii m小球分散在分散系中，該液體與基底和小球浸潤并且不易揮發，獲得特定濃度的膠液；(4)利用基于膠態晶體エ藝參數的物理模型模擬出適合的自組裝溫度；模擬時，輸入小球的直徑KUtl，能量不再變化判據8，然后輸入不同的組裝溫度T觀測得到模擬結果，找到最佳的組裝溫度；(5)把基底放在勻膠機中涂覆膠液薄膜，勻膠機的轉速和勻膠時間可調；(6)整個裝置放在恒溫的裝置中，溫度控制為25-90°C ;(7)干燥后，取出樣品，從不同角度可以看到各種色彩的膠態晶體。優選的，所述小球為聚苯こ烯小球、ニ氧化硅小球或其他微米或者納米球狀物體。優選的，所述分散系為こ醇，水，こ醇和こニ醇的混合物。優選的，步驟(5)中所述勻膠機的轉速為0-9000轉/分鐘(優選地100-8000轉/分鐘)和勻膠時間0-90秒可調(優選地，5-85秒)。本專利技術的制備方法中，一般而言，轉速越大，勻膠時間越長，獲得單層密排膠態晶體所需的濃度越大。因此，合理地選擇ー個勻膠轉速和時間，調控膠液濃度就可以得到整個基片的膠態單晶；如，最優選地，勻膠轉速300轉/分鐘，勻膠時間6秒時，得到的整個基片的膠態單晶最佳。對于組裝時，小球的分散系中こ醇和こニ醇的體積比優選為10:1-5:1 ;更優選地，こ醇和こニ醇的體積比為6:1。進ー步地，本專利技術提供了所述優化膠態晶體エ藝參數的物理模型，制備得到的膠態晶體在納米印刷木，光電自學，數據存儲，生物傳感，表面等離子體和光子晶體等領域有廣泛的應用。本專利技術與現有技術相比如有以下優點和積極效果:(I)本專利技術創建了膠態晶體在考慮液體蒸發的情形下的理論模型。(2)基于所創建的理論模型，引入了計算機模擬，極大地提高了自組裝膠態晶體的效率。該模型實驗所用的算法高效便捷，不要求很大的計算資源，但得到的結果與實驗高度吻合。本專利技術闡述了所用的方法，至于具體執行該方法的代碼可以有多種。(3)本專利技術制備的膠態晶體適用于大范圍尺寸的小球(IOOnm-3 iim)組裝。(4)本專利技術制作的膠態晶體容易大面積(6英寸的圓硅片)制作，且重復性高。(5)本專利技術的制作エ藝巧妙地利用化學方法和自然界存在的力進行組裝，無特殊裝置要求，成本低廉，易于產業化。(6)本專利技術所涉及的エ藝與エ業生產高度兼容。(7)本專利技術對于小球組裝具有普適性，可用于聚苯こ烯小球自組裝，也可以用于ニ氧化硅小球自組裝，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于計算機模擬的熱處理輔助自組裝膠態晶體，其特征在于，該晶體通過建立用于門特卡羅算法的優化膠態晶體工藝參數的物理模型，并通過該模型模擬預言最優的自組裝溫度等工藝參數；同時結合勻膠法，調控組裝小球晶體時的其他若干參數，獲得大面積的膠態單晶。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：吳以治，許小亮，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。