碳微球的自組裝研究

任文芳（臨汾職業技術學院，山西 臨汾 041000）

光子晶體是一種介電常數周期性調制的有序結構，其中存在光子帶隙[1]，這種獨特的結構，使其具有廣闊的應用空間。C60、碳納米管、碳微球（CMSs）等新型碳材料以其獨特結構和特殊性能而受到人們廣泛關注。將碳材料用于制備光子晶體有著巨大的應用潛力，關于這方面研究也正成為熱點。目前，制備光子晶體的方法有很多種，比如化學自組裝法，包括重力沉積法、靜電自組裝和垂直沉積法等。本文將在化學氣相沉積(CVD)法制備CMSs的基礎上，對其進行酸化修飾，然后再以酸化CMSs為基團采用垂直沉積法進行自組裝研究。

1 實驗部分

取兩份0.1 g CVD法制備的CMSs[2]于三口瓶中，分別加混酸（V濃硝酸:V過氧化氫=1:1和3:1）于110 ℃回流2 h，抽濾，并洗滌至近中性，然后烘干。

將基片依次用無水乙醇、去離子水超聲清洗，再用piranha溶液（V濃硫酸:V過氧化氫=7:3）于70℃浸泡30 min，去離子水清洗并烘干。稱3.2 g酸化后CMSs用100 mL NaOH溶液磁力攪拌30 min，配得濃度為3%的懸浮液，將其稀釋依次可得濃度為2%和1%的懸浮液，將這三種懸浮液分別放入三個稱量瓶中，垂直放入處理好的基片，再將稱量瓶放入烘箱中于50℃進行干燥。

分別用JSM-6700F型場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）和SPI3800N原子力顯微鏡進行表征分析。

2 結果與討論

圖1a為原始產物的FESEM圖，從圖中可以看出，產物為表面光滑的CMSs，粒徑相對均勻，但團聚現象嚴重。為了改善此情況，用混酸對其進行表面修飾。圖1b和1c分別為用V濃硝酸:V過氧化氫=1:1和3:1的混酸修飾后CMSs的FESEM圖，從圖中可以看出，用V濃硝酸:V過氧化氫=3:1的混酸修飾后，團聚現象仍較嚴重，而用V濃硝酸:V過氧化氫=1:1的混酸修飾后，產物分散性相對較好，團聚現象有所改善。因此選擇用V濃硝酸:V過氧化氫=1:1的混酸修飾后CMSs作為結構基團，采用垂直沉積法進行自組裝研究。

圖1 原始CMSs(a)和分別用V濃硝酸:V過氧化氫=1:1(b)及V濃硝酸:V過氧化氫=3:1(c)酸化CMSs的FESEM圖Fig.1 FESEM images of as-synthesized CMSs(a)and the CMSs after acid modification

2.1 溶劑的影響

垂直沉積法進行自組裝時，選對溶劑非常重要。因此，我們將V濃硝酸:V過氧化氫=1:1的混酸酸化后CMSs分別分散于無水乙醇、NaOH溶液和水中，起初三者均為分散性很好的黑色溶液，靜置5天后，發現其在無水乙醇和水中均沉淀明顯，而在NaOH溶液中仍保持良好的分散性。所以用NaOH溶液作溶劑繼續實驗。

2.2 基片的影響

我們分別用載玻片和蓋玻片作基片進行自組裝研究。通過實驗發現，以蓋玻片為基片時，雖然也可在基片表面沉積上一層薄膜，但肉眼看上去就極不均勻，而以載玻片為基片時，效果相對較好。由于二者區別較為明顯，因此，直接選用載玻片繼續實驗而未進一步表征。

2.3 濃度的影響

圖2為不同濃度懸浮液自組裝所得薄膜的AFM圖，從圖中可以看出，當濃度為1%時（圖2a），載玻片上只組裝上極少量CMSs，這可能是由懸浮液濃度過小導致的。當懸浮液濃度增大到2%時，自組裝得到了多層CMSs薄膜，雖然有序度不是很高，但排列較為致密；而當懸浮液濃度繼續增大到3%時，載玻片上雖然也組裝上了多層CMSs薄膜，但其排列的有序度及致密度均比懸浮液濃度為2%時差，這可能是由懸浮液濃度過高使得CMSs的沉積速度過快而導致的。

圖2 不同濃度懸浮液自組裝所得薄膜的AFM圖(a)1%,(b)2%,(c)3%Fig.2 AFM images of films prepared under different suspension concentration(a)1%,(b)2%,(c)3%

3 結語

用V濃硝酸:V過氧化氫=1:1的混酸對原始CMSs進行表面修飾，酸化后CMSs的團聚現象有所改善。用酸化后CMSs作結構基團，以載玻片為基片，用NaOH溶液作溶劑配制濃度為2%的懸浮液，采用垂直沉積法得到較為致密的薄膜，為后續碳基光子晶體的制備奠定了一定基礎。

[1]丁敬,陳東,唐芳瓊.膠體自組裝法形成光子帶隙材料[J].化學進展,2004,16(4):492-499.

[2]郭明聰,楊永珍,李莎.聚甲基丙烯酸接枝炭微球[J].炭素技術,2010,29(3):1-4.