專(zhuān)利名稱(chēng)：在汽相中制備自組裝單分子膜的方法及汽相組裝儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米技術(shù)領(lǐng)域，涉及汽相法自組裝單分子膜及其汽相組裝儀。
背景技術(shù)：
《高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)》1999年20卷第1期97頁(yè)中提到，自組裝單分子膜(Self-Assembled Monolayers，簡(jiǎn)稱(chēng)SAMs)是活性分子通過(guò)化學(xué)鍵自發(fā)吸附在異相界面上而形成的有序超分子體系，其熱力學(xué)穩(wěn)定性好、有序度高、成膜后可從溶液中轉(zhuǎn)移出來(lái)。這種自組裝單分子膜在納米制造、分子器件、分子生物學(xué)、材料學(xué)、生物化學(xué)、微電子機(jī)械和磁記錄系統(tǒng)潤(rùn)滑等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用潛力。《科學(xué)通報(bào)》1998年43卷第5期449頁(yè)指出，現(xiàn)有的單分子膜自組裝過(guò)程都是在溶液中完成的，其成膜原理是通過(guò)固-液界面間的化學(xué)吸附成膜。以烷基硫醇和硅烷這兩種最常見(jiàn)的自組裝分子為例在硫醇或硅烷的有機(jī)溶液中，浸入某種基片(如金、銀、銅、硅)，硫醇的反應(yīng)基(巰基)或硅烷的反應(yīng)基團(tuán)(硅氧基)與基片表面物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，在基片表面形成由化學(xué)鍵連接的緊密排列的二維有序的單分子硫醇膜或者硅烷膜。自組裝膜中的分子與分子之間有范德華力作用，從而形成致密、穩(wěn)定的單層膜。《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(J.Am.Chem.Soc，1998，120，2721-2732)提到的制備硫醇膜的方法是在干凈的容器中用溶劑配置一定濃度的硫醇溶液；然后將干凈新鮮的襯底放入此硫醇溶液中，浸泡24-48小時(shí)之后取出，用溶劑沖洗，氮?dú)獯蹈伞ｏ@然，這種在溶液中制備單分子自組裝膜的方法過(guò)程繁瑣首先，它需要配制溶液，而且對(duì)溶劑、容器潔凈度的要求高；襯底須在硫醇溶液中浸泡較長(zhǎng)時(shí)間；自組裝完畢后還需要用溶劑沖洗；整個(gè)單分子膜自組裝制備過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種制備自組裝單分子膜的簡(jiǎn)便、快捷方法—汽相法，以及這種方法所使用的儀器—汽相組裝儀。
本發(fā)明的汽相組裝儀，其特征在于由與帶有真空閥5的管道4兩端相連接的兩個(gè)真空室3和6構(gòu)成，其中至少一個(gè)真空室6帶有用于抽真空的支管7，該支管7上設(shè)有真空閥8；真空室3和6上分別設(shè)有供取放樣品操作用的開(kāi)口2和9及其密封蓋1和10。
本發(fā)明在汽相中制備自組裝單分子膜的方法，其特征在于將新鮮的基片放入與帶真空閥5的管道4兩端相連接的兩個(gè)真空室中之可抽真空的真空室6中，封閉真空閥5后抽真空；關(guān)閉抽真空用支管7上的真空閥8；移取待組裝分子的材料至組裝儀中之另一個(gè)真至室3中，封閉后，將連接兩個(gè)真空室的真空閥5打開(kāi)10秒-600秒，關(guān)閉真空閥5，在真空室6中的基片上即獲得產(chǎn)物；所述基片是新鮮制備的金屬膜，包括Au、Ag、Pt、Cu，或者這幾種金屬的單晶或硅片；所述待組裝分子的材料包括硫醇和硅烷。
凡是可以通過(guò)化學(xué)鍵自發(fā)吸附在異相界面上而形成有序超分子體系的分子都可以通過(guò)本發(fā)明提供的方法制備其自組裝單分子膜。
與現(xiàn)有溶液中制備單分子自組裝膜的方法相比較，雖然基本原理大致相同通過(guò)待組裝分子的反應(yīng)基團(tuán)與基片表面物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)以及待組裝分子之間的范德華力作用，在基片表面自發(fā)形成由化學(xué)鍵連接的緊密排列的二維有序的單分子膜，但由于本發(fā)明采用了汽相法，使得現(xiàn)有溶液法制備單分子自組裝膜的很多繁瑣過(guò)程得以簡(jiǎn)化首先，本發(fā)明汽相法不需要配制溶液；其次，整個(gè)制樣過(guò)程總共才需幾分鐘，不像現(xiàn)有溶液法需要在溶劑中浸泡24-48小時(shí)，所以大大縮短了成膜時(shí)間，從而也減少了單分子膜受到污染的機(jī)會(huì)；再次，在現(xiàn)有溶液法制備單分子自組裝膜的過(guò)程中，由于基片在溶液中的浸泡時(shí)間較長(zhǎng)，在組裝好的單分子膜表面容易物理吸附一些多余的分子，因此在組裝完畢后需要用溶劑沖洗，而用汽相法制備單分子膜的過(guò)程只需要幾分鐘，膜表面不易吸附多余分子，在組裝完畢后不需要用溶劑沖洗，這樣在減少工序的同時(shí)又解決了溶劑易帶來(lái)的污染問(wèn)題。本發(fā)明汽相法及其裝置使單分子膜的自組裝制備過(guò)程簡(jiǎn)便、易行、干凈、快捷，大大縮短了成膜時(shí)間，減少了污染，可適應(yīng)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的需要。


圖1是本發(fā)明汽相組裝儀的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施例中使用的一種具體汽相組裝儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3、圖4分別是實(shí)施例中制備得到的六碳單硫醇在金膜表面的自組裝膜的掃描隧道顯微鏡(STM)掃描圖象，其中圖3的掃描范圍是100nm×100nm，圖4的掃描范圍是30nm×30nm；旁邊的標(biāo)尺是高度標(biāo)尺。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1(1)首先制作一個(gè)如圖1所示的密封性良好的汽相組裝儀它由兩個(gè)真空室3和6構(gòu)成，其中一個(gè)真空室6接有一個(gè)可與抽真空系統(tǒng)連接的支管7，支管7上設(shè)有真空閥8；兩個(gè)真空室3和6分別與一個(gè)帶有真空閥5的管子4的兩端相連接；真空室3和6分別設(shè)有供取放樣品操作用的開(kāi)口2和9及其密封蓋1和10。
(2)襯底的制備本實(shí)施例中所用的襯底，是在超高真空下，在云母表面蒸鍍上一層厚度約為100nm的高純度(99.999％)金所成新鮮制備的金膜；也可以采用包括Ag、Pt、Cu的高純度金屬，或者清潔的金屬單晶或硅片。
(3)制備自組裝單分子膜在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，所有真空閥門(mén)都是關(guān)閉的。
打開(kāi)可抽真空的真空室6的密封蓋10，將新鮮的襯底由開(kāi)口9放入真空室6中，關(guān)閉密封蓋10；打開(kāi)支管7上的閥門(mén)8，抽真空幾分鐘(比如3-5分鐘，真空無(wú)需太高)，然后關(guān)閉閥門(mén)8；打開(kāi)另一個(gè)真空室3的密封蓋1，將盛有硫醇液滴的小容器由開(kāi)口2放入真空室3中，關(guān)閉密封蓋1；打開(kāi)連接兩個(gè)真空室3和6之間的真空閥5，使兩真空室連通30秒后關(guān)閉真空閥5；對(duì)于硫醇，此兩真空室連通的時(shí)間一般可控制在10-120秒，如果時(shí)間太短，會(huì)沒(méi)有足夠的時(shí)間讓分子膜長(zhǎng)好，而時(shí)間太長(zhǎng)則易導(dǎo)致污染。
從真空室6中把產(chǎn)物取出，用掃描隧道顯微鏡(STM)對(duì)產(chǎn)物做掃描。圖3、圖4分別是本實(shí)施例中制備得到的六碳單硫醇在金膜表面的自組裝膜的掃描隧道顯微鏡(STM)掃描圖象，其中圖3的掃描范圍是100nm×100nm，圖4的掃描范圍是30nm×30nm；旁邊的標(biāo)尺是高度標(biāo)尺。在圖中可以清楚地看到與《化學(xué)評(píng)論》1997年97卷第1119頁(yè)(Chem.Rev.1997，97，1117-1127)論文中提到的、以及所附掃描隧道顯微鏡照片所顯示的自組裝單分子硫醇膜所特有的相同的孔洞(pinholes)結(jié)構(gòu)，同時(shí)在圖4中還可以看到硫醇的原子相。由此說(shuō)明已在襯底金膜上組裝上了單分子硫醇膜。
實(shí)施例2為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，本實(shí)施例采用了一種在圖1基礎(chǔ)上改進(jìn)的如圖2所示的汽相組裝儀，特點(diǎn)是在其中的真空室3上增加了兩個(gè)分別裝有真空閥12、14的支管11和13，用于通氮?dú)猓拐婵帐?內(nèi)充滿(mǎn)氮?dú)獗Ｗo(hù)，從而減少污染。
襯底的制備，與實(shí)施例1相同；
在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，所有真空閥門(mén)都是關(guān)閉的；打開(kāi)密封蓋10將新鮮的襯底由開(kāi)口9放入真空室6中，關(guān)閉密封蓋10，打開(kāi)支管7上的閥門(mén)8抽真空3-5分鐘，然后關(guān)閉此閥門(mén)8；打開(kāi)密封蓋1，將盛有硅烷液滴的小容器由開(kāi)口2放入真空室3中，關(guān)閉密封蓋1，在此真空室3的一個(gè)支管11上接通氮?dú)猓S后打開(kāi)支管11和13上的真空閥12和14，通氮?dú)?0分鐘后關(guān)閉真空閥12和14，使真空室3內(nèi)充滿(mǎn)氮?dú)獗Ｗo(hù)，從而減少污染。
打開(kāi)連接兩個(gè)真空室3、6的真空閥5，使兩真空室連通600秒后關(guān)閉真空閥5。由于硅烷的飽和蒸汽壓比硫醇的飽和蒸汽壓低，所以本實(shí)施例中使兩真空室連通的組裝時(shí)間作了適當(dāng)?shù)脑黾印?br> 最后，把真空室6中產(chǎn)物取出。采用與實(shí)施例1相同的方法進(jìn)行測(cè)試，證明所得到的產(chǎn)物是自組裝單分子硅烷膜。
權(quán)利要求
1.一種汽相組裝儀，其特征在于由與帶有真空閥(5)的管道(4)兩端相連接的兩個(gè)真空室(3)和(6)構(gòu)成，其中至少一個(gè)真空室(6)帶有用于抽真空的支管(7)，該支管(7)上設(shè)有真空閥(8)；真空室(3)和(6)上分別設(shè)有供取放樣品操作用的開(kāi)口(2)和(9)及其密封蓋(1)和(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的汽相組裝儀，特征在于其中的真空室(3)上增加了兩個(gè)分別裝有真空閥(12)、(14)的支管(11)和(13)。
3.一種在汽相中制備自組裝單分子膜的方法，其特征在于將新鮮的基片放入與帶真空閥(5)的管道(4)兩端相連接的兩個(gè)真空室中之可抽真空的真空室(6)中，封閉真空閥(5)后抽真空；關(guān)閉抽真空用支管(7)上的真空閥(8)；移取待組裝分子的材料至組裝儀中之另一個(gè)真空室(3)中，封閉后，將連接兩個(gè)真空室的真空閥(5)打開(kāi)10秒-600秒，關(guān)閉真空閥(5)，在真空室(6)中的基片上即獲得產(chǎn)物；所述基片是新鮮制備的金屬膜，包括Au、Ag、Pt、Cu，或者這幾種金屬的單晶或硅片；所述待組裝分子的材料包括硫醇和硅烷。
全文摘要
本發(fā)明在汽相中制備自組裝單分子膜的方法及汽相組裝儀，特征是將新鮮的基片放入由帶真空閥的管道連接的兩個(gè)真空室構(gòu)成的汽相組裝儀中之可抽真空的真空室中，封閉后抽真空；移取待組裝的物質(zhì)至組裝儀中之另一個(gè)真空室中；將連接兩個(gè)真空室的真空閥打開(kāi)一段時(shí)間后關(guān)閉閥門(mén)，即在基片上獲得產(chǎn)物；所述基片是新鮮制備的金屬膜，包括Au、Ag、Pt、Cu，或者這幾種金屬單晶或硅片；待組裝分子包括硫醇和硅烷。本發(fā)明汽相法及其裝置使單分子膜的自組裝制備過(guò)程簡(jiǎn)便、易行、干凈、快捷，克服了現(xiàn)有在溶液中制備單分子自組裝膜的很多繁瑣過(guò)程，大大縮短了成膜時(shí)間，減少了污染；可適應(yīng)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的需要。
文檔編號(hào)C23C14/24GK1483851SQ02138320
公開(kāi)日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2002年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月20日
發(fā)明者朱曉彬, 王克東, 周云申, 王兵, 侯建國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)