碳微球的自组装研究

任文芳（临汾职业技术学院，山西 临汾 041000）

光子晶体是一种介电常数周期性调制的有序结构，其中存在光子带隙[1]，这种独特的结构，使其具有广阔的应用空间。C60、碳纳米管、碳微球（CMSs）等新型碳材料以其独特结构和特殊性能而受到人们广泛关注。将碳材料用于制备光子晶体有着巨大的应用潜力，关于这方面研究也正成为热点。目前，制备光子晶体的方法有很多种，比如化学自组装法，包括重力沉积法、静电自组装和垂直沉积法等。本文将在化学气相沉积(CVD)法制备CMSs的基础上，对其进行酸化修饰，然后再以酸化CMSs为基团采用垂直沉积法进行自组装研究。

1 实验部分

取两份0.1 g CVD法制备的CMSs[2]于三口瓶中，分别加混酸（V浓硝酸:V过氧化氢=1:1和3:1）于110 ℃回流2 h，抽滤，并洗涤至近中性，然后烘干。

将基片依次用无水乙醇、去离子水超声清洗，再用piranha溶液（V浓硫酸:V过氧化氢=7:3）于70℃浸泡30 min，去离子水清洗并烘干。称3.2 g酸化后CMSs用100 mL NaOH溶液磁力搅拌30 min，配得浓度为3%的悬浮液，将其稀释依次可得浓度为2%和1%的悬浮液，将这三种悬浮液分别放入三个称量瓶中，垂直放入处理好的基片，再将称量瓶放入烘箱中于50℃进行干燥。

分别用JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜（FESEM）和SPI3800N原子力显微镜进行表征分析。

2 结果与讨论

图1a为原始产物的FESEM图，从图中可以看出，产物为表面光滑的CMSs，粒径相对均匀，但团聚现象严重。为了改善此情况，用混酸对其进行表面修饰。图1b和1c分别为用V浓硝酸:V过氧化氢=1:1和3:1的混酸修饰后CMSs的FESEM图，从图中可以看出，用V浓硝酸:V过氧化氢=3:1的混酸修饰后，团聚现象仍较严重，而用V浓硝酸:V过氧化氢=1:1的混酸修饰后，产物分散性相对较好，团聚现象有所改善。因此选择用V浓硝酸:V过氧化氢=1:1的混酸修饰后CMSs作为结构基团，采用垂直沉积法进行自组装研究。

图1 原始CMSs(a)和分别用V浓硝酸:V过氧化氢=1:1(b)及V浓硝酸:V过氧化氢=3:1(c)酸化CMSs的FESEM图Fig.1 FESEM images of as-synthesized CMSs(a)and the CMSs after acid modification

2.1 溶剂的影响

垂直沉积法进行自组装时，选对溶剂非常重要。因此，我们将V浓硝酸:V过氧化氢=1:1的混酸酸化后CMSs分别分散于无水乙醇、NaOH溶液和水中，起初三者均为分散性很好的黑色溶液，静置5天后，发现其在无水乙醇和水中均沉淀明显，而在NaOH溶液中仍保持良好的分散性。所以用NaOH溶液作溶剂继续实验。

2.2 基片的影响

我们分别用载玻片和盖玻片作基片进行自组装研究。通过实验发现，以盖玻片为基片时，虽然也可在基片表面沉积上一层薄膜，但肉眼看上去就极不均匀，而以载玻片为基片时，效果相对较好。由于二者区别较为明显，因此，直接选用载玻片继续实验而未进一步表征。

2.3 浓度的影响

图2为不同浓度悬浮液自组装所得薄膜的AFM图，从图中可以看出，当浓度为1%时（图2a），载玻片上只组装上极少量CMSs，这可能是由悬浮液浓度过小导致的。当悬浮液浓度增大到2%时，自组装得到了多层CMSs薄膜，虽然有序度不是很高，但排列较为致密；而当悬浮液浓度继续增大到3%时，载玻片上虽然也组装上了多层CMSs薄膜，但其排列的有序度及致密度均比悬浮液浓度为2%时差，这可能是由悬浮液浓度过高使得CMSs的沉积速度过快而导致的。

图2 不同浓度悬浮液自组装所得薄膜的AFM图(a)1%,(b)2%,(c)3%Fig.2 AFM images of films prepared under different suspension concentration(a)1%,(b)2%,(c)3%

3 结语

用V浓硝酸:V过氧化氢=1:1的混酸对原始CMSs进行表面修饰，酸化后CMSs的团聚现象有所改善。用酸化后CMSs作结构基团，以载玻片为基片，用NaOH溶液作溶剂配制浓度为2%的悬浮液，采用垂直沉积法得到较为致密的薄膜，为后续碳基光子晶体的制备奠定了一定基础。

[1]丁敬,陈东,唐芳琼.胶体自组装法形成光子带隙材料[J].化学进展,2004,16(4):492-499.

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