油水界面自组装方法发展高质量薄膜器件

Small随着纳米科学技术的发展,材料科学的研究重点逐渐从独立无序纳米结构的合成转移到以低维纳米结构为“单元”构建二维或三维有序结构薄膜。这些有序纳米薄膜表现出许多新颖的性质,并在催化、气体传感器、光学、电学、和光电子学器件、表面增强拉曼散射、太阳能电池、高性能显示单元、电容器和晶体管等领域有着巨大的应用前景。目前多数制备纳米有序薄膜的物理和化学方法,如液相自组装法、LB膜沉积、旋涂、层层自吸附、超声吸附等,需要一些特殊的设备,制备周期长,且普适性和可控性较差。于是寻找更加简便有效地构建高质量纳米薄膜器件的方法成为这一领域重要的研究课题之一。

近年来,复旦大学武利民课题组发展出了一种成本低廉、普适性佳的油-水界面自组装构筑纳米颗粒薄膜光电器件的方法,即,将亲水性胶体微球分散在水相体系中,加入与水相不容的有机溶剂如正己烷形成油-水界面,当在油水界面加入诱导剂如乙醇时,由于界面自由能降低,胶体粒子向油-水界面迁移,实现了胶体微球的纳米颗粒薄膜组装,进一步在薄膜表面蒸发沉积金属电极(Cr/Au),制备UV探测器。如,以聚苯乙烯/ZnO核-壳结构胶体微球为单元进行油-水界面自组装,形成的杂化胶体纳米颗粒薄膜,可以转移到各种基材上。经过高温煅烧并蒸发沉积金属电极后,成功地构筑了基于ZnO半导体空心微球薄膜、ZnO/ZnS双层空心微球表面的UV光探测器。由于微球的胶体单分散特性、自组装形成的单层薄膜致密平整性,有利于器件内部形成易于载流子传输的物理接触,加上空心微球的高比表面特性可显著增强纳米颗粒薄膜的紫外光吸收能力,使得这种纳米颗粒薄膜具有比一维ZnO半导体纳米结构器件更高的灵敏性、更好的光谱选择性和快速响应时间。通过改变组装单元种类,还可以构筑其他纳米颗粒薄膜光电探测器。

最近,该课题组还利用油水界面自组装法首先将单分散性的聚合物胶体微球组装聚合物微球纳米薄膜,由于聚合物胶体微球好的稳定性和单分散性,更容易构筑高质量的多层纳米颗粒薄膜,然后反填前驱体并精确控制前驱钵溶胶-凝胶反应的速度成功制备了层数精确可控的氮化钽空心微球纳米薄膜光电极。纳米尺度有序结构的引入大大地改善了光电极的性能,所制备的氮化钽空心微球纳米薄膜光电极与传统的氮化钽薄膜电极相比,表现出更强的可见光-分解水的能力和使用稳定性。此外,纳米薄膜电极的微观结构和层数对电极的光电化学性能有显著影响。相关工作发表在Adv. Mater., 23, 1988-1992 (2011); Adv. Mater., 24, 5872-5877(2012); Adv. Funct. Mater., 22, 1229-1235 (2012); Small., 7, 2449-2453 (2011); Small, 10, 3038–3044(2014)。