第二章 大分子自组装膜.ppt

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第二章 大分子自组装膜

第二章 大分子自组装膜 第二章 大分子自组装膜 第二章 大分子自组装膜 第二章 大分子自组装膜 纳米尺度是联系宏观和微观的桥梁 在二维平面上通过有序组装来实现纳米尺度多层膜复合结构已经成为可能 确定纳米级有序性和宏观方向性之间的关系 第二章 大分子自组装膜 大分子自组装超薄膜属于新兴的物理、化学、生命科学、材料等学科相交叉的领域。 通过自组装可以方便地得到超薄的、规整的二维甚至三维有序的膜,在非线性光学器件、化学生物传感器、信息存贮材料以及生物大分子合成方面有着广泛的应用前景。 大分子自组装超薄膜的有序排列可以更好地研究以及设计膜结构与性质关系,同时也是研究高分子界面各种复杂现象的理想模型。 第一节 大分子自组装成膜技术概述 一、什么是大分子自组装膜? 大分子自组装膜是大分子在溶液(或气态)中自发地通过强键作用力(如共价键、静电作用力、配位键和氢键等)牢固地与基质结合形成的高度有序、低缺陷的单层或多层分子膜。 第一节 大分子自组装成膜技术概述 分两大类: 大分子自组装单分子膜(Self-assembled monolayers, SAMs) 基于交替沉积技术的逐层自组装多层膜(layer by layer,简称LBL) 第一节 大分子自组装成膜技术概述 二、主要的大分子自组装成膜技术 1、化学吸附技术 2、分子交替沉积技术 3、旋涂技术 4、慢蒸发溶剂法 5、枝接成膜法 第一节 大分子自组装成膜技术概述 二、主要的大分子自组装成膜技术 1、化学吸附技术: (1)含羧基聚合物在Ag、AgO 、Al2O3 和CuO 表面的SAMs; (2)聚有机硅烷类在Si 、SiO2 和硅聚合物表面的SAMs; (3)含硫聚合物在Au、 Ag 等金属和GaAs 、InP 等半导体材料表面的SAMs; (4)R3SiH 在Ti 、Ni、Fe、 Mo 等金属表面的SAMs。 第一节 大分子自组装成膜技术概述 2.分子交替沉积技术:其原理是: 将带正电荷的固体表面与溶液中阴离子聚电解质接触、吸附, 然后用水洗净, 使表面带负电, 再浸入阳离子聚电解质溶液中取出, 表面即成正电, 如此往复进行, 即可形成多层自组装膜, 如图所示。 第一节 大分子自组装成膜技术概述 第一节 大分子自组装成膜技术概述 3. 旋涂技术:旋涂技术指将配制好的聚合物溶液滴加到高速旋转的底物表面成膜,其自组装膜的超分子结构形成基于聚合物分子内或分子间相互作用,自组装膜的厚度可通过改变聚合物浓度和底物旋转速度来控制. 第一节 大分子自组装成膜技术概述 4. 慢蒸发溶剂技术:通过缓慢蒸发两亲性聚合物的溶剂来获得自组装膜的方法。其中聚合物亲水和疏水的平衡是关键性的因素。 第一节 大分子自组装成膜技术概述 5. 枝接成膜技术:将一端枝接在固体表面的聚合物浸入溶剂中,如果聚合物与溶剂不相溶, 且枝接不均匀, 憎溶剂相互作用使高分子链自组装成有序膜。 优点是膜的尺寸能够通过改变聚合物链长、溶剂性质和枝接密度来控制。 第二节 大分子自组装单分子膜( SAMS) 一、SAMS的结构和影响膜有序性的因素 聚有机硅烷在Si 表面和含硫聚合物在Au 表面的分子自组装是研究最多的体系。下面以含硫聚合物在Au 表面的SAMs 为例讨论其结构和影响膜有序性的因素。 第二节 大分子自组装单分子膜( SAMS) 1.头基与基底的结合能力 SAMs 的结构是由组装分子在表面的定位和取向所决定的。 所谓定位是指分子的头基与基底表面原子通过强作用力结合而固定; 取向是指有机组装分子在表面的排列有序度,通过红外光谱可以分辨出分子间的排列紧凑程度是结晶状还是类液态。 第二节 大分子自组装单分子膜( SAMS) 1.头基与基底的结合能力 对于Au /硫醇体系虽然Au 和S 的结合能(约为160 kJ mol-1)比长碳链间的范德华力(约几十kJ mol-1)大得多,定位性强即S 与Au 牢固的结合,但是并不意味着其取向性好,长碳链可以在固体表面形成非常紧密有序的结晶状态,也可以是无序的。 1.头基与基底的结合能力 活性头基与基底的结合力强弱决定了组装分子能否在表面成膜,是成膜的先决条件,而且要形成稳定的SAMs ,头基与基底需满足在外界环境作用下不发生分解反应,即能稳定存在。S 和Au 的化学作用力很强,而且非常稳定。而硅烷类化合物容易生成低聚物,难以形成成分单一的分子自组装膜,这也是人们更热衷于研究硫醇/金的组装体系的原因之一。 长碳链之间的范德华力作用与碳链的长短有关,一般来说,碳链越长,范德华作用力越大。 第二节 大分子自组装单分子膜( SAMS) 2. 范德华力和奇-偶效应 碳链分子碳原子个数的奇-偶性对SAMs 的结构有很大的影响。 第二节 大分子自组装单分子膜( SAMS)

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