TWI395775B - 製造微奈米結構之自組裝方法 - Google Patents

Description

製造微奈米結構之自組裝方法

本發明是有關於一種微奈米結構之製造方法，且特別是有關於一種製造微奈米結構之自組裝方法。

目前，一種在基板上形成自組裝微奈米結構的製程係採用為蘭慕爾-布羅吉(Langmuir-Blodgett；以下簡稱“LB”)薄膜法技術。在LB薄膜技術的製程中，先將許多兩性分子散布在具揮發性溶液的液面上，以使這些兩性分子均勻分布在空氣與溶液之界面上。接著，當有機溶劑揮發後，兩性分子分布在水和空氣的界面之間，其中兩性分子之親水基向下和水接觸，而其疏水基則朝上遠離水層。此時，必須小心地擠壓液體表面上的這層兩性分子，以藉由擠壓的方式來縮減分子和分子之間的距離，進而形成緊密堆積的單分子層。然後，將平板狀基板浸入或移出布滿單分子層的液面，在此同時利用機械手臂等電動機具維持液面的表面壓，如此一來即可使液面上之單分子層轉移至基板表面上，而在基板表面上形成一層緊密排列、規則且具方向性的分子薄膜。

然而，此種LB薄膜製程仍存在以下的缺點，包含：需耗費冗長的時間來等待溶液中之揮發性溶劑揮發；兩性分子在液面上的分布係一固定量，而隨著基板的向上拉伸，使得兩性分子附著至基板表面上，如此一來，必須不斷地擠壓液面之兩性分子，以維持其緊密性；此外，受到於兩性分子在溶液中之數量固定的限制，基板之尺寸也會受到限制；再者，必須準確控制液面的表面壓；而且，在LB膜上排列移轉之固體表面的速率慢，商業價值低。

因此，本發明之一態樣是在提供一種製造微奈米結構之自組裝方法，其係將具有疏水表面的粒子與短親油基之溶劑混合後，再將所形成之混合物注入水中，粒子藉由其上之短親油基溶劑與水的交換而可在溶液與空氣界面之間形成自組裝單層結構。故，此製程不需使用兩性分子，也無須精準控制溶液之表面壓，即可快速形成高密度排列的微奈米結構，且粒子可在製程期間持續補充，因而更可提高製程的方便性。

本發明之另一態樣是在提供一種製造微奈米結構之自組裝方法，其係將具有親水表面的粒子與極性溶劑混合後，再將所形成之混合物注入非極性溶劑中，粒子藉由包覆其表面之極性溶劑與非極性溶劑的交換而可在溶液與空氣界面之間形成自組裝單層結構。因此，此自組裝製程不需使用兩性分子，也無須精準控制溶液之表面壓，即可快速形成高密度排列的微奈米結構。此外，粒子可在製程期間持續補充，因此具有極高的製程便利性。

根據本發明之上述目的，提出一種製造微奈米結構之自組裝方法，包含：混合複數個粒子與一短親油基溶劑而形成一混合物，其中每一粒子具有一疏水表面；將此混合物注入一水中，以使這些粒子之一部分浮在水之一液面上；將一基板置入水中；以及將基板自水中拉出，以使這些粒子之前述部分附著而排列在基板之一表面上。

依據本發明之一實施例，上述粒子與水之接觸角大於60度。

依據本發明之另一實施例，上述粒子之材料為經一矽烷類處理劑處理後之物質。

在一示範實施例中，上述之矽烷類處理劑為一矽烷化合物，且此矽烷化合物具有通式R¹ R² R³ R⁴ Si，其中R¹ 、R² 、R³ 及R⁴ 為相同或不同之一基團，且基團為鹵素、具4到22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基、OR⁵ 、苯基、苯烷氧基、苯甲氧基、或苯烷基，其中R⁵ 為H或具1至6個碳原子之烷基，且此矽烷化合物包含有1至3個鹵素與具4到22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基、或OR⁵ 取代基與具4到22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基。

在另一示範實施例中，上述之矽烷類處理劑為一矽烷化合物，且此矽烷化合物具有通式R¹ R² R³ R⁴ Si，其中R¹ 、R² 、R³ 及R⁴ 分別為相同或不同之一基團，且此基團係OR₅ 、1至22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基，其中R⁵ 為H或具1至6個碳原子之烷基，且矽烷化合物含有1至3個OR⁵ 取代基。

根據本發明之上述目的，另提出一種製造微奈米結構之自組裝方法，包含：混合複數個粒子與一極性溶劑而形成一混合物，其中每一粒子具有一親水表面；將前述混合物注入一非極性溶劑中，以使這些粒子之一部分浮在此非極性溶劑之一液面上；將一基板置入非極性溶劑中；以及將此基板自非極性溶劑中拉出，以使這些粒子之前述部分附著而排列在基板之一表面上。

依據本發明之一實施例，上述之粒子為圓球型、方形、棍型、長條型或三角形。

依據本發明之另一實施例，上述之粒子為基板為平板或圓柱，其中此圓柱可為空心或實心。

請參照第1圖與第2A圖至第2C圖，其中第1圖係繪示依照本發明一實施方式的一種製造微奈米結構之自組裝方法的流程圖，第2A圖至第2C圖則係繪示依照本發明一實施方式的一種製造微奈米結構之自組裝方法的裝置流程示意圖。在本實施方式中，進行製造微奈米結構之自組裝方法時，先提供數個粒子200與溶劑202(請先參照第2A圖)，其中這些粒子200之尺寸可例如為微米級或奈米級。在一實施例中，這些粒子200之粒徑可例如介於實質100nm與實質100μm之間。此外，這些粒子200的形狀可例如為圓球型、方形、棍型、長條型或三角形。而後，如第1圖所示之步驟100，進行混合步驟，以混合這些粒子200與溶劑202，而形成混合物204。接著，提供裝有溶劑208之容置槽206，再如第1圖所示之步驟102，可利用例如滴管210，將所形成之混合物204注入容置槽206的溶劑208中。

在第一示範實施例中，這些粒子200具有疏水表面220，此溶劑202為具短親油基溶劑，且溶劑208為水。具短親油基之溶劑202可為1~10碳之醇、烷、或酮類溶劑，例如甲醇。在一實施例中，粒子200與水的接觸角例如可大於60度。藉由包覆在粒子200之表面220上的短親油基溶劑202與水的動態交換，這些粒子200的一部分可浮在溶劑208與空氣之界面上，亦即溶劑208之液面214上。粒子200之材料可例如為無機材料、有機材料、或有機材料與無機材料之混合物。在本示範實施例之一實施樣態中，粒子200本身可為由疏水材料，例如聚二甲基矽氧烷、聚甲基氫矽氧烷、聚二乙基矽氧烷、甲基苯基矽氧烷、聚矽酸鹽、聚甲基倍半矽氧烷或其混合物所組成。

在本示範實施例之另一實施樣態中，粒子200本身之材料可為非疏水材料，但粒子200之材料可為經矽烷類處理劑處理後之物質，其中在進行矽烷類處理劑處理之前，可先利用例如紫外線、電漿或酸鹼物質來對這些粒子200之表面220進行表面處理。在一實施例中，前述之矽烷類處理劑可為矽烷化合物，且此矽烷化合物具有通式R¹ R² R³ R⁴ Si，其中R¹ 、R² 、R³ 及R⁴ 可為相同基團或不同基團，且此基團可例如為鹵素、具4到22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基、OR⁵ 、苯基、苯烷氧基、苯甲氧基、或苯烷基，其中R⁵ 為H或具1至6個碳原子之烷基，且此矽烷化合物較佳係包含有1至3個鹵素與具4到22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基、或OR⁵ 取代基與具4到22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基。在另一實施例中，前述之矽烷類處理劑可為矽烷化合物，且該矽烷化合物具有通式R¹ R² R³ R⁴ Si，其中R¹ 、R² 、R³ 及R⁴ 分別為相同基團或不同基團，且此基團係OR⁵ 、1至22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基，其中R⁵ 為H或具1至6個碳原子之烷基，且此矽烷化合物包含有1至3個OR⁵ 取代基。

在本示範實施例之又一實施樣態中，粒子200之表面220可利用例如電漿處理方式來進行疏水化處理，其中在此電漿處理過程中所利用之電漿氣體可例如為含氟類氣體、含矽烷、1至10個碳原子之烷類、1至10個碳原子之烯類、1至10個碳原子之炔類或其混合物。在一實施例中，粒子200之疏水表面220可例如包含含氟材料。

在第二示範實施例中，這些粒子200具有親水之表面220，此溶劑202為極性溶劑，且溶劑208為非極性溶劑。藉由包覆在粒子200之表面220上的極性溶劑202與非極性溶劑208的動態交換，這些粒子200的一部分可浮在溶劑208與空氣之界面上，亦即溶劑208之液面214上。

接下來，如第1圖之步驟104所示，將基板212置入溶劑208中，使部分或全部之基板212浸入溶劑208中，如第2A圖所示。基板212可為任意形狀的結構，例如平板結構或圓柱結構，其中此圓柱可為實心或空心結構。此外，基板212可為由單一材料層所構成之單一層結構。基板212亦可為由至少二材料層所構成之複合結構。

接著，如第1圖之步驟106所示，可朝著箭頭218所指的方向，將基板212自溶劑208中拉出。在將基板212拉出溶劑208中時，由於注入溶劑208中的大部分粒子200朝液面214移動，因此這些粒子202例如可藉由毛細現象而附著排列在基板212之表面216上，如第2B圖所示。

如第2C圖所示，將基板212拉出溶劑208的同時，可將粒子200與溶劑202所混成之混合物204持續注入溶劑208中，以補充溶劑208之液面214上的粒子200數量，來使液面214具有足夠密度的粒子200，如此可使粒子200以自組裝方式排列在基板212之所需表面216上。

由上述本發明實施方式可知，本發明之一優點就是因為在本發明之製造微奈米結構之自組裝方法中，粒子可藉由包覆其表面上之短親油基溶劑與水的交換而可在溶液與空氣界面之間形成自組裝單層結構，因此不需使用兩性分子，也無須精準控制溶液之表面壓，即可快速形成高密度排列的微奈米結構，且粒子可在製程期間持續補充，因而更可提高製程的方便性。

由上述本發明實施方式可知，本發明之另一優點就是因為在本發明之製造微奈米結構之自組裝方法中，粒子可藉由包覆其表面之極性溶劑與非極性溶劑的交換而可在溶液與空氣界面之間形成自組裝單層結構，因此不需使用兩性分子，也無須精準控制溶液之表面壓，即可快速形成高密度排列的微奈米結構。此外，粒子可在製程期間持續補充，因此具有極高的製程便利性。

雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．步驟

102．．．步驟

104．．．步驟

106．．．步驟

200．．．粒子

202．．．溶劑

204．．．混合物

206．．．容置槽

208．．．溶劑

210．．．滴管

212．．．基板

214．．．液面

216．．．表面

218．．．箭頭

220．．．表面

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本發明一實施方式的一種製造微奈米結構之自組裝方法的流程圖。

第2A圖至第2C圖則係繪示依照本發明一實施方式的一種製造微奈米結構之自組裝方法的裝置流程示意圖。

200．．．粒子

202．．．溶劑

204．．．混合物

206．．．容置槽

208．．．溶劑

210．．．滴管

212．．．基板

214．．．液面

216．．．表面

218．．．箭頭

220．．．表面

Claims (16)

1. 一種製造微奈米結構之自組裝方法，包含：混合複數個粒子與一短親油基溶劑而形成一混合物，其中每一該些粒子具有一疏水表面，每一該些粒子為經一矽烷類處理劑處理後之粒子或一矽烷類粒子，且該短親油基溶劑為1~10碳之醇、烷、或酮類溶劑；將該混合物注入一水中，以使該些粒子之一部分浮在該水之一液面上；將一基板置入該水中；以及將該基板自該水中拉出，以使該些粒子之該部分附著而排列在該基板之一表面上。
2. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該些粒子與該水之一接觸角大於60度。
3. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該些粒子在進行該矽烷類處理劑處理前，先對該些粒子進行一表面處理，且該表面處理係利用紫外線、電漿或酸鹼物質。
4. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該矽烷類處理劑為一矽烷化合物，且該矽烷化合物具有通式R¹ R² R³ R⁴ Si，其中R¹ 、R² 、R³ 及R⁴ 為相同或不同之一基團，且該基團為鹵素、具4到22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基、OR⁵ 、苯基、苯烷氧基、苯甲氧基、或苯烷基， 其中R⁵ 為H或具1至6個碳原子之烷基，且該矽烷化合物包含有1至3個鹵素與具4到22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基、或OR⁵ 取代基與具4到22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基。
5. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該矽烷類處理劑為一矽烷化合物，且該矽烷化合物具有通式R¹ R² R³ R⁴ Si，其中R¹ 、R² 、R³ 及R⁴ 分別為相同或不同之一基團，且該基團係OR⁵ 、1至22個碳原子之直鏈或支鏈之烷基，其中R⁵ 為H或具1至6個碳原子之烷基，且該矽烷化合物含有1至3個OR⁵ 取代基。
6. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該些矽烷類粒子之材料為聚二甲基矽氧烷、聚甲基氫矽氧烷、聚二乙基矽氧烷、甲基苯基矽氧烷、聚矽酸鹽、聚甲基倍半矽氧烷或其混合物。
7. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中每一該些粒子之該疏水表面係利用一電漿處理進行疏水化。
8. 如請求項7所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該電漿處理利用一電漿氣體，且該電漿氣體為含氟類氣體、含矽烷、1至10個碳原子之烷類、1至10個碳原子之烯類、1至10個碳原子之炔類或其混合物。
9. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中每一該些粒子之該疏水表面包含含氟材料。
10. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中每一該些粒子為圓球型、方形、棍型、長條型或三角形。
11. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該基板為一平板或一圓柱。
12. 如請求項11所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該圓柱為空心。
13. 如請求項11所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該圓柱為實心。
14. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該基板為單一層結構。
15. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方法，其中該基板為至少二層之複合結構。
16. 如請求項1所述之製造微奈米結構之自組裝方 法，其中該些粒子之粒徑介於實質100nm與實質100μm之間。