CN101190435A - 在硅表面上制备超疏水性薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在硅表面上制备超疏水性薄膜的方法。该方法采用溶胶－凝胶法制备出表面微观结构为微米和纳米结构共存在的双层结构，再通过含氟的有机物对其表面进行化学修饰，形成的表面与水的接触角大于150°，水滴在此表面上的滑动角小于10°，具有良好的超疏水性能。它为拓展硅材料在工业生产中的应用提供了一种新的制备途径，该方法操作简单，对设备要求不高，可规模化生产，具有良好的工业应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种在硅表面上制备超疏水性薄膜的方法。
背景技术
润湿能力是固体表面的一个很重要特征，通常固体表面的粗糙度和表面能决定其润湿能力。超疏水是润湿能力的一种主要表现，是指水滴与其表面的静态接触角大于150°，同时也呈现出一个较小的滚动角。随着纳米科学技术在最近十几年的迅猛发展，超疏水的研究也成为一个热点，人们在构建超疏水性方面做了大量的研究工作。如中国专利(申请号02121553)公开了一种碳纳米纤维的制备方法，特别涉及一种同时具有超疏水、超疏酸和超疏碱性表面的纳米纤维。该制备方法具有疏水效果好，性能稳定等优点。中国专利(CN1415800A)公开了一种超疏水、自洁净纳米结构低表面能的纸；叙述了在普通的纸张表面通过硅胶、乙酸乙酯和香蕉水处理制备了一层超疏水、自洁净的纳米结构表面。中国专利(CN1613565A)公开了一种超疏水微细结构表面的制备方法，采用湿化学法在玻璃或硅片表面制备出氧化锌结构微细表面，然后采用分子自组装进行表面修饰后可得一种接触角大于150°且接触滞后小于5°的超疏水表面，该制备方法制得的表面具有优良的超疏水和自洁性能。中国专利(CN1379128A)采用化学气相沉积罚制备出具有阵列结构的膜，再用热的浓硫酸、超纯水和含有疏水试剂的醇溶液处理，最后得到超双疏膜。中国专利(申请号01120628.4)提供了一种具有超疏水性表面的聚合物纳米纤维束的制备方法，所制得的聚合物纳米纤维束表面不需要任何表面处理即表现为超疏水性。从以上专利可以看出，所制备的超疏水表面过程都相对比较复杂，而且在制备过程中又污染物排出，可能会造成环境污染，同时制备过程的能耗也相对较高。中国专利(CN1397668A)通过模板挤压法制备出具有超疏水表面的聚合物纳米纤维，但我们发现该方法所用的模板易碎、价格相对较高，这大大限制其在工业生产中的应用。
目前，人们在构建超疏水功能性表面的研究工作时，尤其是在硅表面上实现超疏水功能时主要重点还是集中在通过激光刻蚀的方法来构造出适当的表面粗糙度。这种方法的优点是能得到我们设计好的图案化的表面和我们所需要的粗糙度，它的缺点是对设备的要求很高，不利于其在工业生产中的推广和应用。寻找一个对设备要求不太高，能大面积推广的技术在硅表面上制备超疏水性表面就显得很重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在硅表面上制备超疏水性薄膜的方法。
硅作为最主要的半导体材料广泛的应用于微机械微电子领域，在日常生活中，硅材料的使用是到处可见。水滴与带有氧化层的硅片的接触角为36±1.6°，是一般的亲水材料。我们通过溶胶-凝胶法制备出微观结构为微米与纳米结构并存的双层结构，再通过含氟的有机物进行化学修饰后就实现了超疏水性能，水滴与其表面的接触角大于150°，同时水滴在材料表面的滚动角小于10°。在硅片表面上实现超疏水功能，赋予了硅片具有了自洁净的防污垢功能，在微流体运输中可以降低能耗。
本发明的超疏水性薄膜，是通过溶胶-凝胶法和化学修饰制备而成，它具有超疏水性，有一定强度，并能支撑一定重量的水滴。
一种在硅表面上制备超疏水性薄膜的方法，其特征在于该方法依次包括以下步骤：
A、薄膜制备
采用NH4OH溶液、乙醇以及正硅酸乙酯配制成溶胶，用提拉法在洁净的硅片上进行涂膜，并在大气气氛中烘干，使薄膜中的残余溶剂完全挥发；
B、薄膜的化学修饰
制备好的薄膜浸入全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液中，4-6小时后取出即可得到超疏水性表面。
通过B步骤主要修饰上低表面能的物质以更进一步的降低表面的表面能。
在A步骤的薄膜制备过程中，用提拉法进行薄膜的制备，提升速度为10-14cm/min，涂膜后，于180-210℃大气气氛中烘干。
在B步骤的薄膜的化学修饰过程中，全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液的浓度为0.1-0.3mol/l。
本发明的超疏水表面，是表面呈现微米结构和纳米结构共存的双层结构，上表层的微米结构的微凸体的平均直径约为0.2μm，下表层的纳米结构的微凸体的平均直径约为13nm，其分布与荷叶表面的结构极其相似。水滴与起表面的接触角为155°-157°，同时水滴在材料表面的滑动角小于10°。
本发明的具有双层结构的超疏水性薄膜，其超疏水性经过长达2个月在空气气氛中保存也不会消失，超疏水性稳定。
本发明在制备过程中不会产生污染物，具有很好的环境友好性；制备方法操作简单，制备出的膜的超疏水性能稳定，重现性好，不需要任何昂贵设备，且能规模化生产，具有良好的工业应用前景。
本发明的在硅片上制备出具有超疏水性仿生表面，在许多方面均有良好的用途：
1、仿生表面具有不粘水，自洁净等功能，可以用作微电子微机械系统中一些减阻元件，以减小噪音，和减小摩擦和防止腐蚀。
2、仿生表面具有低的表面能和超疏水特性，可用于无损失超微量液体的输送。
3、仿生表面具有稳定的物化性能，可以用作特殊工况下的薄膜润滑材料。
附图说明
图1为实施例1的仿生疏水性表面的扫描电子显微镜照片。
图2为实施例1的水滴在仿生表面上的静态接触角照片。
具体实施方式
实施例1
把3ml30％的NH4OH溶液滴加到50ml乙醇中，在60℃搅拌并保持30min，然后再向其中滴加3ml的正硅酸乙酯，在60℃继续搅拌90min，以确保形成溶胶。再将硅片置入体积比为7∶3的浓硫酸/过氧化氢的Piranha溶液中，90℃保温30min取出后用二次蒸馏水超声清洗，最后用氮气吹干。之后，把处理好的硅片通过提拉法置入配置好的溶胶中，提拉速度为14cm/min，提拉完毕后，在空气中自然凉干5min，然后在210℃大气气氛中烘干， 确保薄膜中残余溶剂挥发完全。最后把其浸入0.1mol/l的全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液中，6 h后取出即得到超疏水性表面。水滴与其的接触角为157±1.6°，滚动角约为6°。
实施例2
按实施例1的操作方法与步骤，将正硅酸乙酯改用为6ml，其余步骤相同，同样也能得到超疏水性表面。水滴与其的接触角为154±1.6°，滚动角约为8°。
实施例3
按实施例1的操作方法与步骤，将全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液改为0.2mol/l，其余步骤相同，同样也能得到超疏水性表面。水滴与其的接触角为155±1.6°，滚动角约为6°。
Claims (3)
1.一种在硅表面上制备超疏水性薄膜的方法，其特征在于该方法依次包括以下步骤：
A、薄膜制备
采用NH4OH溶液、乙醇以及正硅酸乙酯配制成溶胶，用提拉法在洁净的硅片上进行涂膜，并在大气气氛中烘干；
B、薄膜的化学修饰
制备好的薄膜浸入全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液中，4-6小时后取出即可得到超疏水性表面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在A步骤的薄膜制备过程中，用提拉法进行薄膜的制备，提升速度为10-14cm/min，涂膜后，于180-210℃大气气氛中烘干。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在B步骤的薄膜的化学修饰过程中，全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液的浓度为0.1-0.3mol/l。
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