專利名稱：制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與導(dǎo)電聚合物有關(guān)，特別是一種利用飛秒激光誘導(dǎo)制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
作為“2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)”的研究主題，導(dǎo)電聚合物是一類導(dǎo)電性介于半導(dǎo)體和金屬之間，性能甚至可與金屬媲美的聚合物，素有“合成金屬”(Synthetic Metals)之美稱。它具有獨(dú)特的電子、電化學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，因此在能源、信息存貯、光電子器件、傳感器、軍事隱身技術(shù)等方面具有重要的應(yīng)用。導(dǎo)電聚合物在用于電子器件、光電子器件和顯示等器件時(shí)，除要求其能夠在導(dǎo)電態(tài)和絕緣態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)換，對(duì)其轉(zhuǎn)換速度也有很高的要求，而降低導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)的尺寸正是提高這些器件響應(yīng)速度的一種有效途徑。
在先技術(shù)(Vandyke LS，Brumlik CJ，Martin CR，Yu ZG Collins GJ，UV laser ablation of electronically conductive polymers，Synth.Met.52(3)(1992)299-304.)中采用紫外激光束聚焦輻照聚吡咯和聚苯胺薄膜表面，利用激光的消融作用在薄膜表面制備出導(dǎo)電聚合物微結(jié)構(gòu)，但該方法由于采用紫外光作為光源，因此對(duì)光路中各器件的要求較高；另外該方法無(wú)法一次形成導(dǎo)電聚合物周期性結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)的方法，本發(fā)明方法的實(shí)質(zhì)是采用飛秒激光干涉場(chǎng)技術(shù)在導(dǎo)電聚合物薄膜表面一次成型，形成導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)，該方法形成的周期微結(jié)構(gòu)的分辨率為亞微米級(jí)。
本發(fā)明制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)的方法，是利用飛秒激光干涉場(chǎng)在各種基體表面制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)，具體做法是①將一束飛秒激光經(jīng)分束片分成兩束，然后由兩凸透鏡聚焦，并在焦點(diǎn)處相交，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的相干；②在基底表面按常規(guī)方法制備導(dǎo)電聚合物薄膜，形成(聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩)；③控制激光器的輸出能量，使相干處的能量密度大于導(dǎo)電聚合物消融所需的能量密度閾值而小于基底的破壞閾值；④將上述激光相干場(chǎng)作用于所述的導(dǎo)電聚合物薄膜上，控制激光在薄膜上的作用區(qū)域，形成一系列點(diǎn)，而在每個(gè)點(diǎn)內(nèi)包含導(dǎo)電聚合物周期性微光柵結(jié)構(gòu)；
圖1為本發(fā)明方法用相干的飛秒脈沖激光誘導(dǎo)導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)薄膜的裝置圖，圖中，1-激光束，2-透鏡，3-樣品，4-顯微物鏡。
圖2為本發(fā)明方法制得的導(dǎo)電聚合物周期性結(jié)構(gòu)的SEM照片，放大倍數(shù)5000×。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明飛秒激光誘導(dǎo)導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)薄膜的方法作進(jìn)一步說(shuō)明，以便于對(duì)本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)的理解。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明飛秒激光誘導(dǎo)導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)薄膜的方法的工作原理示意圖，本發(fā)明方法的具體步驟包括①將一束飛秒激光經(jīng)分束片分成兩束，然后由兩凸透鏡聚焦，并在焦點(diǎn)處相交，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的相干；②在基底表面按常規(guī)方法制備導(dǎo)電聚合物薄膜；③控制激光器的輸出能量，使相干處的能量密度大于導(dǎo)電聚合物消融所需的能量密度閾值而小于基底的破壞閾值；④將上述激光相干場(chǎng)作用于所述的導(dǎo)電聚合物薄膜上，控制激光在薄膜上的作用區(qū)域，形成一系列點(diǎn)，而在每個(gè)點(diǎn)內(nèi)包含導(dǎo)電聚合物周期性微光柵結(jié)構(gòu)。
所述的導(dǎo)電聚合物薄膜為聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩薄膜等。
實(shí)施例1①在基體表面制備導(dǎo)電聚合物薄膜；取0.2ml苯胺與360mg硝酸銀分別溶解于DMF(N，N’-二甲基甲酰胺)，然后將上述兩種溶液混合并將一玻璃基體材料浸入溶液內(nèi)部，三小時(shí)后取出玻璃基體，此時(shí)其表面形成一層薄膜，利用乙醇沖洗干凈并在氮?dú)鈿夥障麓蹈芍瞥杀∧げＡ悠罚瑢⒃摌悠分糜跇悠放_(tái)上。
②形成飛秒激光相干場(chǎng)選用脈沖寬度為120fs的飛秒脈沖，波長(zhǎng)為800nm，脈沖重復(fù)率為6Hz，脈沖能量為70μJ，通過(guò)分束片將該飛秒脈沖光束分成兩束，光束直徑為6mm，兩束光的夾角為40°，用焦距均為10cm的兩個(gè)聚焦透鏡將兩光束聚焦在薄膜表面，形成飛秒激光相干場(chǎng)照射在薄膜玻璃樣品的薄膜上，固定；③由計(jì)算機(jī)控制所述的三維移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，形成導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)薄膜。
該薄膜表面形成的一系列周期性微結(jié)構(gòu)，如圖2所示，結(jié)構(gòu)周期為1μm，結(jié)構(gòu)的頂部尺寸可達(dá)到亞微米量級(jí)。
實(shí)施例2取0.2ml苯胺與360mg硝酸銀分別溶解于DMF(N，N’-二甲基甲酰胺)，然后混合上述兩種溶液混合并將一玻璃基體材料浸入溶液內(nèi)部，三小時(shí)后取出玻璃基體，此時(shí)其表面形成一層薄膜，利用乙醇沖洗干凈并在氮?dú)鈿夥障麓蹈?。將上述薄膜置于樣品臺(tái)。選用脈沖寬度為120fs的飛秒脈沖，波長(zhǎng)為800nm，脈沖重復(fù)率為6Hz，脈沖能量為70μJ，通過(guò)分束片將光束分成兩束，光束直徑為6mm，兩束光的夾角為40°，樣品由計(jì)算機(jī)操縱的三維移動(dòng)平臺(tái)控制，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1。用焦距均為10cm的兩個(gè)聚焦透鏡將兩光束聚焦在薄膜表面并控制樣品臺(tái)的移動(dòng)，這樣在薄膜表面形成一系列周期性微結(jié)構(gòu)，如圖2所示，結(jié)構(gòu)周期為1μm，結(jié)構(gòu)的頂部尺寸可達(dá)到亞微米級(jí)。
實(shí)施例3設(shè)置電化學(xué)三電極反應(yīng)體系，工作電極ITO導(dǎo)電玻璃，參比電極銀/氯化銀，對(duì)電極鉑片。溶液采用0.5mol/L吡咯+1mol/L LiClO4的聚碳酸丙稀酯溶液。利用動(dòng)電位沉積法在0～0.8V范圍內(nèi)循環(huán)一周從而在ITO導(dǎo)電玻璃制備一層導(dǎo)電聚合物薄膜。利用聚碳酸丙稀酯將該聚吡咯薄膜清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈?。將上述薄膜置于樣品臺(tái)。選用脈沖寬度為120fs的飛秒脈沖，波長(zhǎng)為800nm，脈沖重復(fù)率為1Hz，脈沖能量為70μJ，通過(guò)分束片將光束分成兩束，光束直徑為6mm，兩束光的夾角為70°，樣品由計(jì)算機(jī)操縱的三維移動(dòng)平臺(tái)控制，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1。用焦距均為10cm的兩個(gè)聚焦透鏡將兩光束聚焦在薄膜表面，控制樣品臺(tái)的移動(dòng)，這樣在薄膜表面形成一系列周期性微結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例4設(shè)置電化學(xué)三電極反應(yīng)體系，工作電極Pt箔，參比電極銀/氯化銀，對(duì)電極鉑片。溶液采用0.1mol/L吡咯+0.1mol/L KCl的水溶液。控制電流密度為0.2A/dm2從而在Pt箔表面制備一層導(dǎo)電聚合物薄膜。利用二次蒸餾水將該聚吡咯薄膜清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈?。將上述薄膜置于樣品臺(tái)。選用脈沖寬度為120fs的飛秒脈沖，波長(zhǎng)為800nm，脈沖重復(fù)率為1Hz，脈沖能量為70μJ，通過(guò)分束片將光束分成兩束，光束直徑為6mm，兩束光的夾角為70°，樣品由計(jì)算機(jī)操縱的三維移動(dòng)平臺(tái)控制，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1。用焦距均為10cm的兩個(gè)聚焦透鏡將兩光束聚焦在薄膜表面，控制樣品臺(tái)的移動(dòng)，這樣在薄膜表面形成一系列周期性微結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例5在100ml的小燒杯中加入10ml濃度為0.2Mmol/L的吡咯的三氯甲烷溶液，再向燒杯中慢慢加入20ml(NH4)2S2O8水溶液，燒杯中的溶液立即分為兩層，并在中間界面上形成黃棕色聚吡咯薄膜，顏色漸漸變深至黑色。反應(yīng)10分鐘后，用玻璃片移去聚吡咯膜并使其平鋪在玻璃片上。將得到的聚吡咯膜先用水淋洗，再用甲醇淋洗，然后置于真空干燥箱中，70度干燥6小時(shí)。選用脈沖寬度為120fs(5×10-14秒)的飛秒脈沖，波長(zhǎng)為800nm，脈沖重復(fù)率為1KHz，脈沖能量為65μJ，通過(guò)衍射光柵將光束分成五束，其中中間一束的能量等于周圍其它四束的四倍。用焦距為100mm的透鏡將光束變?yōu)槠叫泄?，并利用?0×的物鏡聚焦光束，控制三維移動(dòng)平臺(tái)使光束相干作用于聚吡咯表面，作用時(shí)間為1分鐘，即可在作用區(qū)域形成周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，周期為2微米左右實(shí)施例6設(shè)置電化學(xué)三電極反應(yīng)體系，工作電極Au箔，參比電極銀/氯化銀，對(duì)電極鉑片。溶液采用0.2mol/L噻吩+1mol/L KCl的乙腈溶液?？刂齐娏鞴?jié)躍至電流密度為0.5A/dm2并維持5秒從而在Pt箔表面制備一層導(dǎo)電聚合物薄膜。利用二次蒸餾水將該聚吡咯薄膜清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈?。將上述薄膜置于樣品臺(tái)。選用脈沖寬度為120fs的飛秒脈沖，波長(zhǎng)為800nm，脈沖重復(fù)率為1Hz，脈沖能量為70μJ，通過(guò)分束片將光束分成兩束，光束直徑為6mm，兩束光的夾角為70°，樣品由計(jì)算機(jī)操縱的三維移動(dòng)平臺(tái)控制，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1。用焦距均為10cm的兩個(gè)聚焦透鏡將兩光束聚焦在薄膜表面，控制樣品臺(tái)的移動(dòng)，這樣在薄膜表面形成一系列周期性微結(jié)構(gòu)。
設(shè)置電化學(xué)三電極反應(yīng)體系，工作電極ITO導(dǎo)電玻璃，參比電極銀/氯化銀，對(duì)電極鉑片。溶液采用0.5mol/L吡咯+1mol/L LiClO4的聚碳酸丙稀酯溶液。利用動(dòng)電位沉積法在0～0.8V范圍內(nèi)循環(huán)一周從而在ITO導(dǎo)電玻璃上制備一層導(dǎo)電聚合物薄膜。利用聚碳酸丙稀酯將該聚吡咯薄膜清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈?，以獲得玻璃薄膜樣品。將該玻璃薄膜樣品置于三維移動(dòng)樣品平臺(tái)上。選用脈沖寬度為120fs的飛秒脈沖，波長(zhǎng)為800nm，脈沖重復(fù)率為1Hz，脈沖能量為70μJ，通過(guò)分束片將光束分成兩束，光束直徑為6mm，兩束光的夾角為70°，玻璃薄膜樣品的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制三維移動(dòng)樣品平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1。用焦距均為10cm的兩個(gè)聚焦透鏡將兩光束聚焦在薄膜表面，控制樣品臺(tái)的移動(dòng)，這樣在薄膜表面形成一系列周期性微結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)的方法，是利用飛秒激光干涉場(chǎng)在各種基體表面制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)，特征在于其具體做法是①將一束飛秒激光經(jīng)分束片分成兩束，然后由兩凸透鏡聚焦，并在焦點(diǎn)處相交，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的相干；②在基底表面按常規(guī)方法制備導(dǎo)電聚合物薄膜；③控制激光器的輸出能量，使相干處的能量密度大于導(dǎo)電聚合物消融所需的能量密度閾值而小于基底的破壞閾值；④將上述激光相干場(chǎng)作用于所述的導(dǎo)電聚合物薄膜上，控制激光在薄膜上的作用區(qū)域，形成一系列點(diǎn)，而在每個(gè)點(diǎn)內(nèi)包含導(dǎo)電聚合物周期性微光柵結(jié)構(gòu)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)的方法，祺特征在于所述的導(dǎo)電聚合物薄膜是聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩薄膜。
全文摘要
一種制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)的方法，是利用飛秒激光干涉場(chǎng)在各種基體表面制備導(dǎo)電聚合物周期性微結(jié)構(gòu)，具體做法是①將一束飛秒激光經(jīng)分束片分成兩束，然后由兩凸透鏡聚焦，并在焦點(diǎn)處相交，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的相干；②在基底表面按常規(guī)方法制備導(dǎo)電聚合物薄膜；③控制激光器的輸出能量，使相干處的能量密度大于導(dǎo)電聚合物消融所需的能量密度閾值而小于基底的破壞閾值；④將上述激光相干場(chǎng)作用于所述的導(dǎo)電聚合物薄膜上，控制激光在薄膜上的作用區(qū)域，形成一系列點(diǎn)，而在每個(gè)點(diǎn)內(nèi)包含導(dǎo)電聚合物周期性微光柵結(jié)構(gòu)；本發(fā)明方法形成的微結(jié)構(gòu)的分辨率可達(dá)到亞微米甚至納米尺寸，有望應(yīng)用于微電子、傳感器上。
文檔編號(hào)C08L79/00GK1654516SQ20051002347
公開日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月20日
發(fā)明者趙崇軍, 趙全忠, 曲士良, 邱建榮, 陳慶希, 朱從善 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所