一種以單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料及制備方法
【專利說(shuō)明】一種以單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種單晶硅表面改性技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]液體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕是常見的界面現(xiàn)象，潤(rùn)濕性能是固體表面基本特性之一。固體表面潤(rùn)濕和吸附作用會(huì)改變表面物理和化學(xué)特性，對(duì)表面黏附等力學(xué)行為以及摩擦學(xué)性能存在較大影響，而微/納米界面間的黏著效應(yīng)是增大摩擦力導(dǎo)致器件失效的主要原因，因此具有抗?jié)瘛⒌宛ぶ阅艿某杷砻鎸?duì)減小微觀表面黏著效應(yīng)、提高其抗磨減摩性能具有重要意義。人工制備超疏水性減摩抗磨薄膜時(shí)通?？捎蓛煞N途徑來(lái)實(shí)現(xiàn):一是利用疏水材料構(gòu)建微觀粗糙結(jié)構(gòu)；二是在粗糙表面上修飾低表面能物質(zhì)。
[0003]表面織構(gòu)，即在表面加工制備出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕、凸包或微小溝槽等圖案陣列，并在至少一維方向上生成納米級(jí)或者微米級(jí)的規(guī)則表面結(jié)構(gòu)?？棙?gòu)化可以改變摩擦副接觸狀態(tài)，貯存潤(rùn)滑劑，降低粘著力提高承載力，有效改善表面疏水性能和摩擦磨損性能。因此設(shè)計(jì)合適的表面幾何結(jié)構(gòu)對(duì)提高摩擦副表面摩擦學(xué)性能和潤(rùn)滑效果具有較大的工程價(jià)值，對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境有著重要的意義。感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)是一種新型的織構(gòu)化技術(shù)，具有刻速快、選擇比高、各向異性高、刻蝕損傷小、大面積均勻性好、刻蝕斷面輪廓可控性高和刻蝕表面平整光滑等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代制造業(yè)，尤其是微機(jī)電系統(tǒng)制造中發(fā)揮著不可替代的作用。
[0004]分子自組裝膜技術(shù)(SAM)是利用固體表面在稀溶液中吸附活性物質(zhì)而形成的有序分子組織，其基本原理是通過(guò)固-液界面間的靜電吸附或化學(xué)吸附，在基片上形成二維有序單層膜。自組裝復(fù)合膜是指利用化學(xué)鍵或物理作用將分子、納米粒子等逐層連接到自組裝單層膜上形成的復(fù)合膜。近年來(lái)的研究表明，采用分子自組裝技術(shù)在單晶硅表面制備表面能低、摩擦系數(shù)低、耐磨性好、厚度在微納米量級(jí)的自組裝復(fù)合膜，可以有效改善硅基表面的疏水性能和摩擦磨損性能。
[0005]離子液體是指在室溫或室溫附近呈液態(tài)的、完全由正負(fù)離子構(gòu)成的熔鹽體系，一般是由特定的、體積相對(duì)較大的有機(jī)陽(yáng)離子和體積相對(duì)較小的無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子通過(guò)庫(kù)侖力結(jié)合構(gòu)成，具有良好的高溫穩(wěn)定性、低揮發(fā)性和低溫流動(dòng)性。這些特點(diǎn)使其有望應(yīng)用于航空航天及空間機(jī)械等苛刻環(huán)境下的特殊潤(rùn)滑。另外，具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的離子液體在固體表面較高的吸附能力使其成為一種兼有液體與固體特性的“固體”液體，因此離子液體納米膜能夠進(jìn)一步改善超疏水表面的摩擦學(xué)性能，使其的應(yīng)用范圍更為廣泛。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)制備減摩抗磨疏水表面的方法中，有一種利用兩步法將N-3_(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺、硬脂酰氯通過(guò)表面偶聯(lián)反應(yīng)依次接枝到硅表面上制備自組裝雙層膜，該膜提高了承載耐磨能力，但疏水性能不明顯，缺乏足夠的流動(dòng)性來(lái)減小摩擦；用40 % NH4F對(duì)硅表面進(jìn)行處理形成化學(xué)織構(gòu)，然后用十八烷基三氯硅烷進(jìn)行自組裝以制備功能表面，該方法簡(jiǎn)單但化學(xué)織構(gòu)尺寸特征不可控，單層自組裝膜的承載能力、疏水性能和減摩抗磨性能都相對(duì)有限；通過(guò)磁控濺射氣相沉積技術(shù)，在織構(gòu)化的硅片表面獲得織構(gòu)化類金剛石薄膜，然后組裝一層離子液體膜得到復(fù)合功能表面，該功能表面承載能力高，各方面性能優(yōu)異，但類金剛石硬質(zhì)薄膜制備儀器昂貴工藝復(fù)雜，應(yīng)用范圍有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種以單晶娃為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料及其制備方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0009]—種以單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料，在單晶硅的微織構(gòu)化表面上依次涂有N-3_(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)分子膜層、月桂酰氯(LA)分子膜層和烷基咪唑磷酸鹽或者烷基咪唑氯化物離子液體(ILs)薄膜層。
[0010]所述單晶硅的微織構(gòu)化表面的形貌為方柱陣列形、圓柱陣列形、平行溝槽形中的一種或一種以上的組合。
[0011]所述的方柱陣列形中的方柱邊長(zhǎng)為I?10 μ m，高度為5?20 μ m，相鄰方柱的間距為I?20 μ m。
[0012]所述的圓柱陣列形中圓柱的直徑為I?10 μπι，高度為5?20 μπι，相鄰圓柱的間距為I?20 μπι。
[0013]所述的平行溝槽形溝槽的寬度為I?10 μ m，深度為5?20 μ m，相鄰溝槽的間距為I?20 μ m。
[0014]—種以單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料的制備方法，包括如下步驟:
[0015](I)采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)在單晶硅片表面上刻蝕，得到微織構(gòu)化單晶娃片;
[0016](2)將微織構(gòu)化單晶硅片依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗，然后用氮?dú)獯蹈?，置入?8wt% H2SOjP 30wt% H2O2以體積比為7: 3新鮮配置的食人魚(Piranha)溶液中，保持90°C?95°C反應(yīng)30min?40min，用去離子水反復(fù)沖洗，氮?dú)獯蹈?，得到表面羥基化的微織構(gòu)化單晶硅片；
[0017](3)配制N-3_(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)的丙酮溶液，然后將表面羥基化的微織構(gòu)化單晶硅片浸沒(méi)到DA的丙酮溶液中，Ih?2h后取出，依次在丙酮、環(huán)己烷中分別超聲清洗Imin?3min，用氮?dú)獯蹈桑玫奖砻娓采wDA分子膜的微織構(gòu)化單晶硅片；
[0018](4)配制月桂酰氯(LA)的環(huán)已烷溶液，將表面覆蓋DA分子膜的微織構(gòu)化單晶硅片浸沒(méi)到LA的環(huán)己烷溶液中，室溫下靜置20h?28h，取出后依次在丙酮、乙醇中分別超聲洗滌Imin?3min，再用去離子水反復(fù)沖洗，氮?dú)獯蹈桑玫奖砻娓采wDA-LA雙層復(fù)合分子膜的微織構(gòu)化單晶硅片；
[0019](5)配制離子液體(ILs)溶液，用勻膠機(jī)在表面覆蓋DA-LA雙層復(fù)合分子膜的微織構(gòu)化單晶硅片上旋涂離子液體，旋涂轉(zhuǎn)速為2500?3500r/min，得到微織構(gòu)化表面覆蓋DA-LA-1Ls三層復(fù)合薄膜的單晶硅片，即為一種以單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料。
[0020]所述DA的丙酮溶液的組份配比為:DA與丙酮溶液按體積比1: 2000?1: 500混合，所述丙酮溶液中丙酮與水的體積比為10: 1
[0021]所述LA的環(huán)己烷溶液的組份配比為:LA與環(huán)己烷按體積比1: 20?1: 10混合，所述環(huán)己烷溶液中含體積分?jǐn)?shù)為5X 10 4的三乙胺。
[0022]所述離子液體溶液的組份配比為，烷基咪唑磷酸鹽或者烷基咪唑氯化物0.2?2.5wt %，丙酮 97.5 ?99.7wt %。
[0023]本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果，本發(fā)明將ICP技術(shù)、SAM技術(shù)和旋涂制膜技術(shù)相結(jié)合，不僅制備工藝簡(jiǎn)單，而且制備時(shí)間短，大大提高了效率，制得的以單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料將微織構(gòu)、多層自組裝復(fù)合膜與離子液體薄膜結(jié)合起來(lái)，協(xié)同誘導(dǎo)表面表現(xiàn)出穩(wěn)定的超疏水性能，同時(shí)大大增強(qiáng)了單晶硅表面的摩擦學(xué)性能，使得黏著力和摩擦系數(shù)大幅降低，耐磨性能顯著提高，在微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明方柱陣列形微織構(gòu)化單晶硅片的三維視圖。圖中，1、單晶硅片；2、方柱陣列形微織構(gòu)。
[0025]圖2是本發(fā)明圓柱陣列形微織構(gòu)化單晶硅片的三維視圖。圖中，1、單晶硅片；2、圓柱陣列形微織構(gòu)。
[0026]圖3是本發(fā)明平行溝槽形微織構(gòu)化單晶硅片的三維視圖。圖中，1、單晶硅片；2、平行溝槽形微織構(gòu)。
[0027]圖4是本發(fā)明以平行溝槽形微織構(gòu)化的單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料三維視圖。圖中，1、單晶硅片；2、平行溝槽形微織構(gòu)；3、DA分子膜；4、LA分子膜；5、ILs離子液體薄膜。
[0028]圖5是本發(fā)明制備方法的流程框圖。
[0029]圖6是本發(fā)明的以單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料形成的反應(yīng)過(guò)程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0031]如圖1所示，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)在單晶硅片I的表面刻蝕方柱陣列形微織構(gòu)2。方柱陣列形中的方柱邊長(zhǎng)為I?10 μ m，高度為5?20 μ m，相鄰方柱的間距為I ?20 μ m0
[0032]如圖2所示，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)在單晶硅片I的表面上刻蝕圓柱陣列形微織構(gòu)2，圓柱陣列形中圓柱的直徑為I?10 μ m，高度為5?20 μ m，相鄰圓柱的間距為I?20 μ m。
[0033]如圖3所示，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)在單晶硅片I的表面上刻蝕平行溝槽形微織構(gòu)2，平行溝槽形溝槽的寬度為I?10 μ m，深度為5?20 μ m，相鄰溝槽的間距為I ?20 μ m0
[0034]如圖4所示，以平行溝槽形微織構(gòu)化的單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)在單晶硅片I上刻蝕平行溝槽形微織構(gòu)2，在平行溝槽形微織構(gòu)2表面上依次涂有N-3_(三甲氧基硅烷基)丙基乙烯基二胺(DA)分子膜層3、月桂酰氯(LA)分子膜層4和離子液體(ILs)薄膜層5。
[0035]如圖5、圖6所不，一種以單晶娃為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料的制備方法。
[0036]實(shí)施例1
[0037]以方柱陣列形微織構(gòu)化的單晶硅為基底具有減摩抗磨和超疏水性能的材料的制備，依次按照以下步驟進(jìn)行:
[0038]1、以單晶娃片作為基底材料，解離成1mmX 1mm的獨(dú)立樣品。采用感應(yīng)親合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)，在單晶硅片上獲得方柱形凸起狀微織構(gòu)化規(guī)則形貌，其尺寸特征為:方柱邊長(zhǎng)5 μ m、間距20 μ m、高度20 μ m。
[0039]2、分別在丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水中超聲清洗lOmin，用干燥氮?dú)獯蹈?。然后置入?8wt% H2SOjP 30wt% H2O2以體積比為7: 3新鮮配置的食人魚(Piranha)溶液中，保持90°C反應(yīng)40min，用去離子水反復(fù)沖洗，氮?dú)獯蹈桑玫奖砻媪u基化的微織構(gòu)化單晶硅片;
[0040]3、配制DA的丙酮溶液，將20 μ L的DA溶于20mL丙酮與水的混合溶液中，丙酮與水混合比為10: I (V/V)。然后將表面羥基化的微織構(gòu)化單晶硅片浸沒(méi)到上述DA的丙酮溶液中，Ih后取出，