一种变色薄膜复合材料相分离尺度的分析方法

技术领域

本申请涉及材料分析技术领域，尤其涉及一种变色薄膜复合材料相分离尺度的分析方法。

背景技术

近年来，功能有机物材料的研究极为活跃，充满了新的机遇和挑战。新型的功能有机物材料层见叠出，应用前景十分广阔。功能有机物薄膜及超薄膜具有柔性、廉价、易加工等特点，在各个领域都获得了应用。在许多电子器件中也都会涉及到有机物薄膜或者超薄膜。比如：有机场效应晶体管、有机太阳能电池、电致发光、存储、传感和激光器等，有机场效应晶体管薄膜就是其中一个比较典型的代表。伴随着大量的新型有机材料迅速的发展和合成，高性能的材料器件鱼贯而出，这一类的有机物薄膜或超薄膜的厚度基本都是在100纳米左右。虽然这类有机物薄膜的厚度很薄，但是其内部的结构和相分离尺寸有很大的差异，这主要是由于聚合物分子量的多分散性和半结晶性导致了有机物薄膜深度方向上的一些性质都随着深度的变化表现出不一样的特性。比如：结晶取向、结晶度、光电性质以及组分变化。这类薄膜深度方向上的性质会极大的影响有机薄膜器件的性能，因此科研人员一直在努力得到聚合物薄膜不同深度处的结构和性质，试图通过精准分析薄膜内部的性质来得到与其性能相匹配的性能，建立薄膜性质与性能的关系。反之，将分析依据用于指导有机物薄膜材料的合成，得到更高性能的有机薄膜器件。

通常，有机聚合物材料在电场的作用下往往会发生电致变色现象，当聚合物材料在电化学作用下发生电子与离子的注入与抽出，使其价态和化学组分发生变化，在外观性能上则表现为颜色及透明度的可逆变化，而分析有机变色薄膜深度方向上的性质(相分离尺寸)对于其性能的调节至关重要。另外，单一组分的功能变色材料已经无法满足人们的日益增长的需求，为了提高功能材料的性能，需要研究出新型的功能变色材料或者利用其他方法对功能有机物变色材料进行改性，其中一种较为普遍的方法就是将功能有机物变色材料与绝缘聚合物材料共混得到复合有机变色材料的薄膜。复合有机变色材料具有一个很明显的优势，便是集两种或多种材料的优良性能于一身，并且可能会创造出不同于其中任何一种材料的新奇功能。复合有机物变色薄膜的品质大大的影响着其性能，要获得优良性能的复合有机物变色薄膜体系，必须有合适和稳定的微观相结构。

在这种背景下，分析复合有机物变色薄膜在深度方向上的相分离尺寸才显得尤为的重要，因此，分析复合有机物变色薄膜在深度方向上的相分离尺寸是本发明需要解决的主要问题。

发明内容

本申请提供了一种变色薄膜复合材料相分离尺度的分析方法，以解决如何分析计算复合有机物变色薄膜在深度方向上的相分离尺寸的问题。

本申请采用的技术方案如下：

本申请提供了一种变色薄膜复合材料相分离尺度的分析方法，包括以下步骤：

在石英玻璃基底上制备有机变色复合薄膜；

利用紫外分光光度计测试有机变色复合薄膜的紫外可见吸收光谱；

利用等离子体逐层刻蚀有机变色复合薄膜，刻蚀至有机变色复合薄膜的厚度变薄，每刻蚀n秒测试有机变色复合薄膜的紫外可见吸收光谱；

利用不同刻蚀时间的有机变色复合薄膜紫外可见吸收光谱，使用朗伯比尔定律和最小二乘法，依次计算得到各个深度处相分离尺寸的大小。

进一步地，所述有机变色复合薄膜材料为能够电致变色的有机光电材料和绝缘性能良好的有机绝缘材料的复合变色薄膜。

进一步地，所述有机变色复合薄膜材料为可溶性变色有机物。

进一步地，所述能够电致变色的有机光电材料为等规导电聚合物P3BT；

所述绝缘性能良好的有机绝缘材料为无规绝缘聚合物PS的混合物。

进一步地，所述等离子体为低压氩气等离子体。

进一步地，所述等离子体的功率为20～40w，等离子体的气压为10～30Pa。

进一步地，所述石英玻璃基底为光滑的石英玻璃基底。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本发明的一种变色薄膜复合材料相分离尺度的分析方法，在石英玻璃基底上制备有机变色复合薄膜，利用等离子体刻蚀有机变色复合薄膜样品，并原位测试有机变色复合薄膜刻蚀前以及刻蚀中的紫外吸收光谱，并利用朗伯比尔定律和最小二乘法拟合，依次计算得到各个深度处相分离尺寸的大小，实现有机变色复合薄膜在深度方向上相分离尺度的特征；从而为其有机变色复合薄膜的相关性能优化和相变基础研究等提供支持。而深度紫外的吸收光谱的开发将会大大的方便研究其性能和性质之间的关系。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为PS:P3BT(质量分数比为99:1)复合变色薄膜(膜厚100nm)的紫外可见吸收光谱，光谱从上到下依次对应随着刻蚀时间增加得到不同减薄时间的有机变色复合薄膜紫外可见吸收光谱图；

图2为利用图1中的紫外可见吸收光谱图计算得到的PS和P3BT深度方向上相分离尺度大小；

图3为PS:P3BT(质量分数比为9:1)复合变色薄膜(膜厚100nm)的紫外可见吸收光谱，光谱从上到下依次对应随着刻蚀时间增加得到不同减薄时间的有机变色复合薄膜紫外可见吸收光谱图；

图4为利用图3中的紫外可见吸收光谱图计算得到的PS和P3BT深度方向上相分离尺度大小；

图5为PS:P3BT(质量分数比为1:1)复合变色薄膜(膜厚100nm)的紫外可见吸收光谱，光谱从上到下依次对应随着刻蚀时间增加得到不同减薄时间的有机变色复合薄膜紫外可见吸收光谱图；

图6为利用图5中的紫外可见吸收光谱图计算得到的PS和P3BT深度方向上相分离尺度大小；

图7为上述实例中所用到的有机分子的化学结构。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1至图7。

本发明提供的一种变色薄膜复合材料相分离尺度的分析方法，包括以下步骤：

S01：在光滑的石英玻璃基底上制备有机变色复合薄膜，且有机变色复合薄膜的厚度至少50nm；

S02：利用紫外分光光度计测试有机变色复合薄膜的紫外可见吸收光谱；

S03：利用等离子体逐层刻蚀有机变色复合薄膜，刻蚀至有机变色复合薄膜的厚度变薄，每刻蚀n秒测试有机变色复合薄膜的紫外可见吸收光谱，其中，所述等离子体为低压氩气等离子体；

S04：利用不同刻蚀时间的有机变色复合薄膜紫外可见吸收光谱，使用朗伯比尔定律和最小二乘法，依次计算得到各个深度处相分离尺寸的大小。

所述有机变色复合薄膜材料为可溶性变色有机物；所述有机变色复合薄膜材料为能够电致变色的有机光电材料和绝缘性能良好的有机绝缘材料的复合变色薄膜。具体来说，所述能够电致变色的有机光电材料为等规导电聚合物P3BT；所述绝缘性能良好的有机绝缘材料为无规绝缘聚合物PS的混合物。

所述等离子体的功率为20～40w，等离子体的气压为10～30Pa，具体为，等离子体功率为30w，等离子体气压为20Pa。

实施例一

图1为PS:P3BT(质量分数比为99:1)复合变色薄膜(膜厚100nm)的紫外可见吸收光谱，利用氩气等离子体刻蚀获得。光谱从上到下依次对应随着刻蚀时间增加得到不同减薄时间的有机变色复合薄膜紫外可见吸收光谱图，本实施例每刻蚀6秒测试有机变色复合薄膜的紫外可见吸收光谱；图2为利用图1中的紫外可见吸收光谱图计算得到的PS和P3BT深度方向上相分离尺度大小。

利用溶液旋涂的方法(将等规导电聚合物P3BT和无规绝缘聚合物PS的混合物，溶于邻二氯苯溶液中，即得复合聚合物溶液，将复合聚合物溶液旋涂在光滑的石英玻璃基底的一面)制备出厚度约为100nm的PS:P3BT(质量分数比为99:1)共混薄膜。

P3BT/PS的分子结构如图7所示，溶液的总浓度为20mg/mL,将复合薄膜在氩气等离子体下刻蚀，并原位测试有机变色复合薄膜刻蚀前(0s)以及刻蚀中(6～18s)的紫外吸收光谱(减薄条件：功率20w；气压30Pa)。测试结果如图1所示。本实施例中，紫外可见吸收光谱中在194纳米处是PS的吸收峰，在521纳米处是P3BT的吸收峰。利用这些光谱数据(吸光度)，通过朗伯比尔定律和最小二乘法，对整个有机变色复合薄膜进行深度方向上的相分离尺寸大小的计算，得到了如图2的结果，可以看出在整个深度方向上P3BT和PS出现了很大的相分离，P3BT只存在于复合变色薄膜的表面。

实施例二

图3为PS:P3BT(质量分数比为9:1)复合变色薄膜(膜厚100nm)的紫外可见吸收光谱，利用氩气等离子体刻蚀获得。光谱从上到下依次对应随着刻蚀时间增加得到不同减薄时间的有机变色复合薄膜紫外可见吸收光谱图，每刻蚀30秒测试有机变色复合薄膜的紫外可见吸收光谱；图4为利用图3中的紫外可见吸收光谱图计算得到的PS和P3BT深度方向上相分离尺度大小。

利用溶液旋涂的方法制备出厚度约为100nm的PS:P3BT(质量分数比为9:1)共混薄膜。P3BT/PS分子结构如图7所示，溶液的总浓度为20mg/mL,将复合薄膜在氩气等离子体下刻蚀，并原位测试有机变色复合薄膜刻蚀前(0s)以及刻蚀中(30～180s)的紫外吸收光谱(减薄条件：功率20瓦；气压30帕斯卡)。测试结果如图1所示。本实施例中，紫外可见吸收光谱中在194纳米处是PS的吸收峰，在521纳米处是P3BT的吸收峰。利用这些光谱数据(吸光度)，通过朗伯比尔定律和最小二乘法，对整个有机变色复合薄膜进行深度方向上的相分离尺寸大小的计算，得到了如图4的结果，可以看出在整个深度方向上P3BT和PS出现了很大的相分离，P3BT存在于变色薄膜的表面，在与基底的界面处也有一部分P3BT聚集，大量的PS富集在复合变色薄膜的中间，两种有机聚合物构成了一个三明治结构。

实施例三

图5为PS:P3BT(质量分数比为1:1)复合变色薄膜(膜厚100nm)的紫外可见吸收光谱，利用氩气等离子体刻蚀获得。光谱从上到下依次对应随着刻蚀时间增加得到不同减薄时间的有机变色复合薄膜紫外可见吸收光谱图，每刻蚀30秒测试有机变色复合薄膜的紫外可见吸收光谱；图6为利用图5中的紫外可见吸收光谱图计算得到的PS和P3BT深度方向上相分离尺度大小。

利用溶液旋涂的方法制备出厚度约为100nm的PS:P3BT(质量分数比为1:1)共混薄膜。P3BT/PS的分子结构如图7所示，溶液的总浓度为20mg/mL,将复合薄膜在氩气等离子体下刻蚀，并原位测试有机变色复合薄膜刻蚀前(0s)以及刻蚀中(30～180s)的紫外吸收光谱(减薄条件：功率20瓦；气压30帕斯卡)。测试结果如图1所示。本实施例中，紫外可见吸收光谱中在194纳米处是PS的吸收峰，在521纳米处是P3BT的吸收峰。利用这些光谱数据(吸光度)，通过朗伯比尔定律和最小二乘法，对整个有机变色复合薄膜进行深度方向上的相分离尺寸大小的计算，得到了如图6的结果，可以看出在整个深度方向上P3BT和PS出现了较小的相分离，P3BT和PS交替出现在变色薄膜的不同深度处，P3BT主要在界面处聚集，而PS依旧在复合变色薄膜的中间部分分布较多。

为了对本发明进一步的了解，现做出如下说明：

根据朗伯比尔定律，有机变色复合薄膜的吸光度被定义为A＝-logI/I0,其中I和I0分别为透射和入射光强，每个深度处具有吸光度为Ai(i＝1,2,3,…,n)。因此，这说明有机变色复合薄膜总的吸光度等于各个深度处吸光度的线性叠加)。因此，如果我们能够找到合适的减薄技术，那么原则上我们就有可能通过减薄过程中检测有机变色复合薄膜的紫外可见吸收光谱，并根据吸光度的减少量得到表面和各个深度处的相分离尺度大小。

对于有机变色复合薄膜深度的计算，在朗伯比尔定律的基础上，利用最小二乘法，在MATLAB中计算不同的深度，根据初始膜的厚度和不同刻蚀时间紫外光谱的变化，可以得到不同的深度处不同有机薄膜变色材料的相分离尺寸大小。

本发明致力于用等离子体刻蚀复合有机物变色薄膜样品，并原位测试材料的紫外吸收光谱，利用朗伯比尔定律和最小二乘法拟合，实现复合有机物变色薄膜在深度方向上相分离尺度的特征，从而为其复合有机变色复合薄膜的相关性能优化和相变基础研究等提供支持。而深度紫外的吸收光谱的开发将会大大的方便研究其性能和性质之间的关系。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。