專利名稱：?jiǎn)尉Ч杵砻孀詽嵭远趸伡{米薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜的制備方法，采用溶膠—凝膠法在單晶硅片上制備自潔、耐磨的二氧化鈦納米薄膜。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)防污閃工作存在一項(xiàng)緊迫問(wèn)題變電設(shè)備缺少具有優(yōu)良防污閃性能的、通用型的、正式性(或持久性)的外絕緣產(chǎn)品?，F(xiàn)有RTV(溫室硫化硅橡膠)防污閃涂料具有優(yōu)良防污閃性能，使用靈活，但因其過(guò)于低下的綜合性能及不規(guī)范的生產(chǎn)和使用狀況，僅適合作為補(bǔ)救性或臨時(shí)性產(chǎn)品，而不能作為正式性或持久性產(chǎn)品使用。納米材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，納米材料的特殊結(jié)構(gòu)及大的體積百分?jǐn)?shù)的界面使它的塑性、沖擊韌性與常規(guī)材料相比有很大改善，其優(yōu)越性已充分表現(xiàn)在顯著提高材料的強(qiáng)度、高低溫疲勞壽命、抗氧化性及耐腐蝕性等方面，因此在電力工業(yè)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
TiO2具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，熔點(diǎn)高達(dá)1830℃，能夠抵御酸或堿的腐蝕，在光的照射下不會(huì)發(fā)生分解。TiO2催化效率高，無(wú)毒無(wú)害，利用其光催化消除和降解污染物成為環(huán)境領(lǐng)域最為活躍的一個(gè)研究方向。TiO2的介電常數(shù)ε大，絕緣性能好，禁帶寬度為3.2eV。TiO2薄膜的性質(zhì)會(huì)隨著制備方法和制備條件的不同而改變，目前制備TiO2薄膜的方法大致有溶膠—凝膠法、CVD法(化學(xué)氣相沉積法)、濺射法等方法。TiO2薄膜的特性可以通過(guò)熱處理、摻雜等方法來(lái)改變。目前國(guó)內(nèi)多采用溶膠—凝膠法制備TiO2薄膜。
溶膠—凝膠技術(shù)已成為材料科學(xué)研究中發(fā)展較快的新領(lǐng)域，并引起人們的極大關(guān)注，其在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用更推動(dòng)了現(xiàn)代涂料工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致新型涂料和涂層不斷涌現(xiàn)。這種方法的獨(dú)到之處在于能制備純的單組分體系(一般指陶瓷或玻璃等無(wú)機(jī)材料)和有機(jī)無(wú)機(jī)分子雜化體系或組成可控體系，加工溫度較低(室溫或稍高溫度和常壓)，可以根據(jù)需要得到滿足不同功能的薄膜。該方法制備出來(lái)的薄膜存在不夠均勻，不夠致密，附著力差，膜層易脫落，難以適應(yīng)長(zhǎng)期、循環(huán)應(yīng)用等不足。因此，迫切需要制備膜層結(jié)構(gòu)均勻、致密，光學(xué)性能優(yōu)良的溶膠—凝膠膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜的制備方法，具有工藝簡(jiǎn)單，低成本、高效率的特點(diǎn)，制備得到的納米薄膜有著均勻、致密、絕緣的特點(diǎn)，具有很好的自潔功能。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用溶膠—凝膠法在單晶硅片上制備二氧化鈦納米薄膜。首先將單晶硅片進(jìn)行表面處理以提高硅片表面的清潔度和活性，采用加熱的王水對(duì)單晶硅片進(jìn)行浸泡，然后自然冷卻取出，用去離子水反復(fù)沖洗、晾干。采用鈦酸鹽溶于乙醇溶劑，再加入冰醋酸作為螯合劑，再滴加乙醇水溶液進(jìn)行水解，加入干燥抑制劑二甲基甲酰胺，得到含有鈦酸鹽的溶膠溶液；將處理后的單晶硅片浸入配置好的溶膠溶液，經(jīng)靜置、提拉、干燥，再經(jīng)燒結(jié)、保溫、冷卻，得到單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜。
本發(fā)明的方法具體如下1、對(duì)單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，加熱王水5～6個(gè)小時(shí)，直到溫度為120℃，自然冷卻后取出，用去離子水沖洗后干燥，得到經(jīng)預(yù)處理的單晶硅片。
2、將鈦酸鹽溶于乙醇溶劑，乙醇與鈦酸鹽的摩爾比為4～5∶1，再加入冰醋酸作為螯合劑，冰醋酸與鈦酸鹽的摩爾比為1～1.2∶1，用磁力攪拌器攪拌，混合均勻后，再采用混合滴加方式加入乙醇水溶液，使水與鈦酸鹽摩爾比為1～2∶1，乙醇水溶液中水和無(wú)水乙醇體積比為1∶9。然后在溶液中再加入重量比為1～2％的干燥抑制劑二甲基甲酰胺，得到穩(wěn)定、均勻、透明的淺黃色溶膠溶液。
3、將預(yù)處理后的單晶硅片浸入配置好的含有鈦酸鹽的溶膠溶液中，靜置5～10分鐘后進(jìn)行提拉，再放入溫度為120℃的烘箱中，使單晶硅片表面的溶膠干燥，即在單晶硅片表面覆有薄膜。重復(fù)上述浸泡、提拉和干燥操作，可在單晶硅片表面制備多層薄膜。
4、把覆有薄膜的單晶硅片放入馬弗爐在120℃下保溫30分鐘，以3℃/分鐘的速度緩慢升溫至400～500℃，保溫1小時(shí)后自然冷卻，即得到單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜。
本發(fā)明具有顯著的效果。采用在溶膠—凝膠法在羥基化的單晶硅片上得到二氧化鈦納米薄膜。并且溶膠—凝膠法制備二氧化鈦納米薄膜工藝簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，得到的薄膜達(dá)到納米級(jí)別，成膜性好。采用本發(fā)明的方法制得的二氧化鈦納米薄膜分布均勻，成膜致密，有著很好的表面性能。
具體實(shí)施例方式
以下通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。
實(shí)施例1(1)對(duì)單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，緩慢加熱王水5～6個(gè)小時(shí)，直到溫度為120℃，自然冷卻后取出，用去離子水沖洗后干燥，得到經(jīng)預(yù)處理的單晶硅片。
(2)將鈦酸鹽溶于乙醇溶劑，乙醇與鈦酸鹽的摩爾比為5∶1，再加入冰醋酸作為螯合劑，冰醋酸與鈦酸鹽的摩爾比為1∶1，用磁力攪拌器攪拌，混合均勻后，再采用混合滴加方式加入乙醇水溶液，使水與鈦酸鹽摩爾比為2∶1，乙醇水溶液中水和無(wú)水乙醇體積比為1∶9；然后在溶液中再加入重量比為1％的干燥抑制劑二甲基甲酰胺，得到穩(wěn)定、均勻、透明的淺黃色溶膠溶液。
(3)將預(yù)處理后的單晶硅片浸入配置好的含有鈦酸鹽的溶膠溶液中，靜置5分鐘后進(jìn)行提拉，再放入溫度為120℃的烘箱中，使單晶硅片表面的溶膠干燥，即在單晶硅片表面覆有薄膜。
(4)把覆有薄膜的單晶硅片放入馬弗爐在120℃下保溫30分鐘，以3℃/分鐘的速度緩慢升溫至400℃，保溫1小時(shí)后自然冷卻，即得到單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜。
采用SPM-9500原子力顯微鏡、L116E型橢圓偏振光測(cè)量?jī)x和PHI-5702型X-光電子能譜儀(XPS)來(lái)表征薄膜的表面形貌、厚度和化學(xué)成分。使用接觸角測(cè)定儀進(jìn)行接觸角測(cè)定，測(cè)定其憎水性。采用點(diǎn)接觸純滑動(dòng)微摩擦性能測(cè)量?jī)x測(cè)量薄膜摩擦系數(shù)。
表征的結(jié)果表明，采用本發(fā)明方法在單晶硅片上生成的薄膜的膜厚大約在6nm-90nm的之間，并且上面分布著30nm-50nm的球形顆粒，XPS測(cè)試圖表明在單晶硅片表面生成的薄膜中看不到硅的指標(biāo)，因此單晶硅片的表面都覆蓋了一層二氧化鈦納米薄膜。其接觸角為72°，具有良好的憎水性，利于其自潔性發(fā)揮。在點(diǎn)接觸純滑動(dòng)微摩擦性能測(cè)量?jī)x上分別測(cè)量潔凈單晶硅片和單晶硅片表面二氧化鈦納米膜的摩擦系數(shù)，在單晶硅片表面制備的二氧化鈦納米膜可以將摩擦系數(shù)從無(wú)膜時(shí)的0.4降低到0.2左右，具有十分明顯的減摩作用。
實(shí)施例2(1)對(duì)單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，加熱王水5～6個(gè)小時(shí)到溫度為120℃，自然冷卻后取出，用去離子水沖洗后干燥，得到經(jīng)預(yù)處理的單晶硅片。
(2)將鈦酸鹽溶于乙醇溶劑，乙醇與鈦酸鹽的摩爾比為4∶1，再加入冰醋酸作為螯合劑，冰醋酸與鈦酸鹽的摩爾比為1∶1，用磁力攪拌器攪拌，混合均勻后，再采用混合滴加方式加入乙醇水溶液，使水與鈦酸鹽摩爾比為1∶1，乙醇水溶液中水和無(wú)水乙醇體積比為1∶9；然后在溶液中再加入重量比為2％的干燥抑制劑二甲基甲酰胺，得到穩(wěn)定、均勻、透明的淺黃色溶膠溶液。
(3)將預(yù)處理后的單晶硅片浸入配置好的含有鈦酸鹽的溶膠溶液中，靜置8分鐘后進(jìn)行提拉，再放入溫度為120℃的烘箱中，使單晶硅片表面的溶膠干燥，即在單晶硅片表面覆有薄膜。
(4)把覆有薄膜的單晶硅片放入馬弗爐在120℃下保溫30分鐘，以3℃/分鐘的速度緩慢升溫至450℃，保溫1小時(shí)后自然冷卻，即得到單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜。
采用實(shí)施例1中的表征手段對(duì)薄膜質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
表征的結(jié)果表明，本實(shí)施例在單晶硅片上生成的薄膜的膜厚大約在6nm-90nm的之間，并且上面分布著30nm-50nm的球形顆粒，XPS測(cè)試圖表明在單晶硅片表面生成的薄膜中看不到硅的指標(biāo)，因此單晶硅片的表面都覆蓋了一層二氧化鈦納米薄膜。其接觸角為70.6°，具有良好的憎水性，利于其自潔性發(fā)揮。用在點(diǎn)接觸純滑動(dòng)微摩擦性能測(cè)量?jī)x上分別測(cè)量干凈單晶硅片和單晶硅片表面含有二氧化鈦納米膜的摩擦系數(shù)，結(jié)果測(cè)得在單晶硅片表面制備的二氧化鈦納米薄膜可以將摩擦系數(shù)從無(wú)膜時(shí)的0.4降低到0.18左右，具有十分明顯的減摩作用。
實(shí)施例3(1)對(duì)單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，加熱王水5～6個(gè)小時(shí)到溫度為120℃，自然冷卻后取出，用去離子水沖洗后干燥，得到經(jīng)預(yù)處理的單晶硅片；(2)將鈦酸鹽溶于乙醇溶劑，乙醇與鈦酸鹽的摩爾比為5∶1，再加入冰醋酸作為螯合劑，冰醋酸與鈦酸鹽的摩爾比為1∶1，用磁力攪拌器攪拌，混合均勻后，再采用混合滴加方式加入乙醇水溶液，使水與鈦酸鹽摩爾比為1.2∶1，乙醇水溶液中水和無(wú)水乙醇體積比為1∶9；然后在溶液中再加入重量比為2％的干燥抑制劑二甲基甲酰胺，得到穩(wěn)定、均勻、透明的淺黃色溶膠溶液；(3)將預(yù)處理后的單晶硅片浸入配置好的含有鈦酸鹽的溶膠溶液中，靜置10分鐘后進(jìn)行提拉，再放入溫度為120℃的烘箱中，使單晶硅片表面的溶膠干燥，即在單晶硅片表面覆有薄膜；(4)把覆有薄膜的單晶硅片放入馬弗爐在120℃下保溫30分鐘，以3℃/分鐘的速度緩慢升溫至500℃，保溫1小時(shí)后自然冷卻，即得到單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜。
采用實(shí)施例1中的表征手段對(duì)薄膜質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
表征的結(jié)果表明，采用本實(shí)施例的方法在單晶硅片上生成的薄膜的膜厚大約在6nm-90nm的之間，并且上面分布著30nm-50nm的球形顆粒，XPS測(cè)試圖表明在單晶硅片表面形成的薄膜中看不到硅的指標(biāo)，因此單晶硅片的表面都覆蓋了一層二氧化鈦納米薄膜。其接觸角為73°，具有良好的憎水性，利于其自潔性發(fā)揮。在點(diǎn)接觸純滑動(dòng)微摩擦性能測(cè)量?jī)x上分別測(cè)量潔凈單晶硅片和單晶硅片表面二氧化鈦納米膜的摩擦系數(shù)，在單晶硅片表面制備的二氧化鈦納米膜可以將摩擦系數(shù)從無(wú)膜時(shí)的0.4降低到0.22左右，具有十分明顯的減摩作用。
權(quán)利要求
1.一種單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)將單晶硅片浸泡在王水中，加熱王水5～6個(gè)小時(shí)到溫度為120℃，自然冷卻后取出，用去離子水沖洗后干燥，得到經(jīng)預(yù)處理的單晶硅片；2)將鈦酸鹽溶于乙醇溶劑，乙醇與鈦酸鹽的摩爾比為4～5∶1，再加入冰醋酸作為螯合劑，冰醋酸與鈦酸鹽的摩爾比為1～1.2∶1，用磁力攪拌器攪拌，混合均勻后，再采用混合滴加方式加入乙醇水溶液，使水與鈦酸鹽摩爾比為1～2∶1，乙醇水溶液中水和無(wú)水乙醇體積比為1∶9；然后在溶液中再加入重量比為1～2％的干燥抑制劑二甲基甲酰胺，得到穩(wěn)定、均勻、透明的淺黃色溶膠溶液；3)將預(yù)處理后的單晶硅片浸入配置好的含有鈦酸鹽的溶膠溶液中，靜置5～10分鐘后進(jìn)行提拉，再放入溫度為120℃的烘箱中，使單晶硅片表面的溶膠干燥，即在單晶硅片表面覆有薄膜；4)把覆有薄膜的單晶硅片放入馬弗爐在120℃下保溫30分鐘，以3℃/分鐘的速度緩慢升溫至400～500℃，保溫1小時(shí)后自然冷卻，即得到單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜的制備方法，其特征在于重復(fù)步驟3所述的浸泡、提拉和干燥操作，在單晶硅片表面制備多層薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜的制備方法，采用溶膠—凝膠法在單晶硅片上制備薄膜。首先將單晶硅片進(jìn)行表面處理以提高硅片表面的清潔度和活性，采用加熱的王水對(duì)單晶硅片進(jìn)行浸泡，然后自然冷卻取出，用去離子水反復(fù)沖洗、晾干。采用鈦酸鹽溶于乙醇溶劑，再加入冰醋酸作為螯合劑，再滴加乙醇水溶液進(jìn)行水解，加入干燥抑制劑二甲基甲酰胺，得到含有鈦酸鹽的溶膠溶液；將處理后的單晶硅片浸入配置好的溶膠溶液，經(jīng)靜置、提拉、干燥，再經(jīng)燒結(jié)、保溫、冷卻，得到單晶硅片表面自潔性二氧化鈦納米薄膜。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，在單晶硅片上生成的二氧化鈦納米薄膜分布均勻，成膜致密，有著很好的憎水性以及減摩作用。
文檔編號(hào)C03C17/23GK1850692SQ20061002685
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者程先華, 顧勤林, 亓永, 李健, 周華 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)