CN101555629A - 单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法 - Google Patents
单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101555629A CN101555629A CNA2009100497403A CN200910049740A CN101555629A CN 101555629 A CN101555629 A CN 101555629A CN A2009100497403 A CNA2009100497403 A CN A2009100497403A CN 200910049740 A CN200910049740 A CN 200910049740A CN 101555629 A CN101555629 A CN 101555629A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- monocrystalline silicon
- silane
- titanium dioxide
- self
- assembled
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Laminated Bodies (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Chemically Coating (AREA)
Abstract
一种磺酸基硅烷二氧化钛纳米薄膜在单晶硅上的自组装制备方法，其特点是将单晶硅片预处理，将处理后的单晶硅片浸入配制好的巯基硅烷溶液中，静置8小时，取出后分别用丙酮、氯仿、去离子水冲洗后，用氮气吹干后置于一定浓度的硝酸中在80℃下反应2小时，取出用大量去离子水冲洗，这样就把端巯基原位氧化成磺酸基。再将表面附有磺酸基硅烷薄膜的基片置入配制好的二氧化钛自组装溶液中，在80℃下进行组装12小时，即获得磺酸基硅烷－二氧化钛自组装纳米薄膜。本发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染，制得的二氧化钛纳米薄膜分布均匀，成膜致密，且具有十分明显的减摩作用。此外二氧化钛自组装膜还具有良好的抗磨损性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机、无机纳米复合薄膜的制备方法，尤其涉及一种单晶硅基片表面磺酸基硅烷-二氧化钛自组装纳米膜的制备方法。属于薄膜制备领域。
背景技术
随着高科技的进步，机械制造工业正朝着微型化的方向发展，这就涉及了微型机械表面的摩擦学问题。由于硅材料具有硬度高、成本低廉、表面粗糙度小等优点，在微型机电系统中的应用日益受到重视。但是未经表面处理的硅材料脆性较高，表面裂纹在低张应力作用下易发生剥层磨损和脆性断裂，难以满足使用要求，因此需要用表面改性技术来提高硅材料表面微机械性能，以改善硅材料底微观摩擦磨损性能。
目前可以通过自组装方法在单晶基片表面制备自组装膜，来改善研究二氧化钛表面的减摩抗磨性。自组装有机-二氧化钛复合薄膜是把基底浸入含有有机物的溶液中，由化学吸附作用生成一层有机二维分子薄膜，然后将附有有机薄膜底基片置入配制好的含有二氧化钛的组装溶液中，在一定的条件下进行组装，得到有机-二氧化钛复合薄膜。得到的自组装膜结构致密、稳定性高，并且具有高度有序性和取向性，但自组装单层膜的膜厚调节范围有限，且对基底材料和成膜原料要求苛刻。
经文献检索发现，中国专利公开号为：1358804，专利名称为：固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子超薄润滑膜的制备方法，固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子超薄润滑膜的制备方法涉及了一种固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子超薄润滑膜的制备方法，这种方法是在固体表面自组装一层脂肪酸的单分子层。选取易吸附于固体表面的脂肪酸，配制成稀溶液，将制得的陶瓷膜迅速浸入配置好的脂肪酸稀溶液于室温下反应24～48分钟。该方法在制备自组装薄膜的过程中需要24～96h的时间来配制前驱体溶液，这样使得整个的成膜周期过长，而且在基片处理的过程中没有涉及到具体方法，并且该方法是制备了一种有机自组装薄膜，没有涉及到二氧化钛元素对薄膜性能的改进和研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛的纳米复合膜的制备方法。本发明采用单晶硅片作为基底材料，在其表面采用自组装方法制备磺酸基硅烷-二氧化钛纳米复合膜，可以解决微机械系统的摩损问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法，其特征在于按照如下步骤进行：
A)将单晶硅片放入王水中，对单晶硅片进行预处理；
B)将预处理后的单晶硅片浸入配制好的巯基硅烷溶液中，静置8小时；
C)从巯基硅烷溶液中取出单晶硅片后，分别用丙酮、氯仿和去离子水冲洗后，再用氮气吹干；
D)再将单晶硅片置于硝酸溶液中在80℃下反应2小时，取出后用大量去离子水冲洗；
E)将表面附有磺酸基硅烷薄膜的单晶硅片置于配制好的二氧化钛自组装溶液中，在80℃下进行组装12小时，即获得磺酸基硅烷-二氧化钛自组装纳米薄膜。
所述巯基硅烷溶液的组分摩尔浓度为：巯基硅烷0.1～1mmol/L，溶剂为苯溶液。
所述硝酸溶液的浓度为：30％～60％。
所述二氧化钛自组装溶液的组分重量百分比为：钛酸盐：3.5％～7％，乙醇：65％～85％，乙二胺四乙酸：1％～4％，氯化铵：2％～5％，尿素：10％～25％，浓盐酸：0.5％～1.5％。
本发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染。本发明中的二氧化钛自组装溶液配置简单；自组装成的磺酸基硅烷-二氧化钛子组装纳米薄膜具有分布均匀，成膜致密的优点，可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.1左右，具有十分明显的减摩作用。此外二氧化钛自组装膜还具有良好的抗磨损性能，可成为微型机械理想的边界润滑膜。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1：
对单晶硅片进行预处理，将单晶硅片浸泡在王水中，使用电炉加热王水，加热时间为5个小时，在室温中自然冷却8小时，将单晶硅片取出，用去离子水反复冲洗，放入干燥皿中干燥；
将处理后的单晶硅片浸入配制好的巯基硅烷溶液中，静置8小时，取出后，分别用丙酮、氯仿和去离子水冲洗后，用氮气吹干，置于硝酸溶液中，在80℃下反应2小时，取出用大量去离子水冲洗，把端巯基原位氧化成磺酸基。
将表面附有磺酸基硅烷薄膜的基片置于配制好的二氧化钛自组装溶液中，在80℃温度下进行组装12小时，即获得磺酸基硅烷-二氧化钛自组装纳米薄膜。
本发明采用的巯基硅烷组装溶液的组分摩尔浓度为：巯基硅烷0.5mmol/L，溶剂为苯溶液。
巯基原位氧化成磺酸基的硝酸溶液的浓度为：30％。
二氧化钛自组装溶液的组分重量百分比为：
乙醇含量：65％，钛酸盐：5％，乙二胺四乙酸：4％，氯化铵：5％，尿素：25％，浓盐酸：1％。
采用SPM-9500原子力显微镜、L116E型椭圆偏振光测量仪和PHI-5702型X-光电子能谱仪(XPS)来表征薄膜的表面形貌、厚度和化学成分。采用点接触纯滑动微摩擦性能测量仪测量薄膜摩擦系数。
结果表明在单晶硅片上自组装成的硅烷的膜厚在5～7nm之间，复合薄膜的膜厚在15～50nm之间。XPS图谱表明在单晶硅片表面自组装成的硅烷薄膜中有巯基基团；原位氧化后，有高价态硫元素，说明表面的硅烷薄膜上的巯基基团成功的原位氧化成了磺酸基基团；在二氧化钛溶液中组装过的基片表面的XPS图谱中观察到了钛元素的存在，其结合能发生了化学位移，说明二氧化钛元素与基片表面的官能团发生了络合反应，而且硫元素的指标非常弱，因此单晶硅片的表面都覆盖了一层二氧化钛纳米薄膜。在点接触纯滑动微摩擦性能测量仪上分别测量干净单晶硅片和单晶硅片表面自组装二氧化钛复合膜的摩擦系数。在单晶硅片表面制备的二氧化钛自组装复合薄膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.1左右，具有十分明显的减摩作用。
实施例2：本实施例的制备过程同实施例1。
本实施例采用的巯基硅烷组装溶液的组分摩尔浓度为：巯基硅烷0.3mmol/L，溶剂为苯溶液。
巯基原位氧化成磺酸基的硝酸溶液的浓度为：40％。
二氧化钛自组装溶液的组分重量百分比为：
乙醇含量：83％，钛酸盐：3.5％，乙二胺四乙酸：1％，氯化铵：2％，尿素：10％，浓盐酸：0.5％。
采用实施例1中的表征手段对薄膜质量进行评价。
结果表明在单晶硅片上自组装成的有机薄膜膜厚在5～8nm之间，复合薄膜的膜厚在15～40nm之间。XPS图谱表明在单晶硅片表面自组装成的复合薄膜中不同的薄膜层中含有磺酸基基团以及钛元素，且在硅烷薄膜组装后观察不到二氧化硅的指标，在钛元素组装后，硫元素的信号比较弱，因此单晶硅片的表面成功组装了一层有机硅烷纳米薄膜，且在有机硅烷薄膜表面成功地组装了一层二氧化钛纳米薄膜。
实施例3：本实施例的制备过程同实施例1。
本实施例采用的巯基硅烷组装溶液的组分摩尔浓度为：巯基硅烷1mmol/L，溶剂为苯溶液。
巯基原位氧化成磺酸基的硝酸溶液的浓度为：60％。
二氧化钛自组装溶液的组分重量百分比为：
乙醇含量：70％，钛酸盐：5％，乙二胺四乙酸：4％，氯化铵：5％，尿素：15％，浓盐酸：1％。
采用实施例1中的实验仪器对薄膜进行评价，表征的结果表明：结果表明在单晶硅片上自组装成的有机薄膜膜厚在5～7nm之间，复合薄膜的膜厚在15～50nm之间。XPS图谱表明在基片表面上成功地组装上了巯基硅烷薄膜，并且巯基基团被原位氧化成磺酸基；在其表面上组装了钛元素，且磺酸基的指标非常弱，因此单晶硅片的表面成功地覆盖了一层磺酸基-二氧化钛纳米复合薄膜。
Claims (4)
1.一种单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法，其特征在于按照如下步骤进行：
A)将单晶硅片放入王水中，对单晶硅片进行预处理；
B)将预处理后的单晶硅片浸入配制好的巯基硅烷溶液中，静置8小时；
C)从巯基硅烷溶液中取出单晶硅片后，分别用丙酮、氯仿和去离子水冲洗后，再用氮气吹干；
D)再将单晶硅片置于硝酸溶液中在80℃下反应2小时，取出后用大量去离子水冲洗；
E)将表面附有磺酸基硅烷薄膜的单晶硅片置于配制好的二氧化钛自组装溶液中，在80℃下进行组装12小时，即获得磺酸基硅烷-二氧化钛自组装纳米薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法，其特征在于：所述巯基硅烷溶液的组分摩尔浓度为：巯基硅烷0.1～1mmol/L，溶剂为苯溶液。
3.根据权利要求1所述的一种单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法，其特征在于：所述硝酸溶液的浓度为：30％～60％。
4.根据权利要求1所述的一种单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法，其特征在于：所述二氧化钛自组装溶液的组分重量百分比为：钛酸盐：3.5％～7％，乙醇：65％～85％，乙二胺四乙酸：1％～4％，氯化铵：2％～5％，尿素：10％～25％，浓盐酸：0.5％～1.5％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2009100497403A CN101555629A (zh) | 2009-04-22 | 2009-04-22 | 单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2009100497403A CN101555629A (zh) | 2009-04-22 | 2009-04-22 | 单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101555629A true CN101555629A (zh) | 2009-10-14 |
Family
ID=41173902
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNA2009100497403A Pending CN101555629A (zh) | 2009-04-22 | 2009-04-22 | 单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101555629A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105618153A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-01 | 江南大学 | 一种基于层级组装的硅-二氧化钛-聚吡咯三维仿生复合材料及应用 |
| CN105642367A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-08 | 江南大学 | 一种以单晶硅为载体的消反射双层p/n异质结的层级复合材料及应用 |
| CN110504441A (zh) * | 2018-05-17 | 2019-11-26 | 华为技术有限公司 | 一种改性硅基负极材料及其制备方法和锂离子电池 |
| CN113368316A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-09-10 | 华东师范大学 | 一种自组装磺酸基硅烷-pmma医用复合膜的制备方法 |
-
2009
- 2009-04-22 CN CNA2009100497403A patent/CN101555629A/zh active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105618153A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-01 | 江南大学 | 一种基于层级组装的硅-二氧化钛-聚吡咯三维仿生复合材料及应用 |
| CN105642367A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-08 | 江南大学 | 一种以单晶硅为载体的消反射双层p/n异质结的层级复合材料及应用 |
| WO2017113563A1 (zh) * | 2015-12-28 | 2017-07-06 | 江南大学 | 一种基于层级组装的硅-二氧化钛-聚吡咯三维仿生复合材料及应用 |
| CN105642367B (zh) * | 2015-12-28 | 2018-06-22 | 江南大学 | 一种以单晶硅为载体的消反射双层p/n异质结的层级复合材料及应用 |
| US10888855B2 (en) | 2015-12-28 | 2021-01-12 | Jiangnan University | Silicon-titanium dioxide-polypyrrole three-dimensional bionic composite material based on hierarchical assembly and use thereof |
| CN110504441A (zh) * | 2018-05-17 | 2019-11-26 | 华为技术有限公司 | 一种改性硅基负极材料及其制备方法和锂离子电池 |
| CN110504441B (zh) * | 2018-05-17 | 2021-06-01 | 华为技术有限公司 | 一种改性硅基负极材料及其制备方法和锂离子电池 |
| CN113368316A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-09-10 | 华东师范大学 | 一种自组装磺酸基硅烷-pmma医用复合膜的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mi et al. | A simple and feasible in-situ reduction route for preparation of graphene lubricant films applied to a variety of substrates | |
| CN100479931C (zh) | 单晶硅片表面磷酸基硅烷-碳纳米管复合薄膜的制备方法 | |
| CN101555629A (zh) | 单晶硅基片表面自组装磺酸基硅烷-二氧化钛复合膜的制备方法 | |
| CN100560526C (zh) | 在玻璃基片表面制备碳纳米管复合薄膜的方法 | |
| CN100556838C (zh) | 玻璃基片表面磷酸基硅烷-碳纳米管复合薄膜的制备方法 | |
| CN102677052A (zh) | 石墨烯基自组装多层纳米润滑薄膜的制备方法 | |
| Mi et al. | A simple one-step solution deposition process for constructing high-performance amorphous zirconium oxide thin film | |
| CN100383280C (zh) | 单晶硅片表面制备磺酸基硅烷-稀土纳米复合薄膜的方法 | |
| CN1670247A (zh) | 单晶硅片表面制备巯基硅烷－稀土纳米复合薄膜的方法 | |
| CN100476035C (zh) | 在单晶硅片表面制备碳纳米管复合薄膜的方法 | |
| CN100364911C (zh) | 单晶硅片表面氨基硅烷-稀土纳米薄膜的制备方法 | |
| CN101602279A (zh) | 原位银纳米粒子/聚合物复合分子薄膜及其制备方法 | |
| CN1209494C (zh) | 单晶硅基片表面自组装稀土纳米膜的制备方法 | |
| CN100475686C (zh) | 单晶硅片表面自组装聚电解质-稀土纳米薄膜的制备方法 | |
| Wang et al. | Trilayered film with excellent tribological performance: a combination of graphene oxide and perfluoropolyethers | |
| CN104789219B (zh) | 一种提高单层MoS2发光效率的分子修饰方法 | |
| CN101671849A (zh) | 单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法 | |
| CN100366349C (zh) | 单晶硅片表面磷酸基硅烷-稀土纳米薄膜的制备方法 | |
| CN101508529A (zh) | 一种在玻璃基片表面制备钒酸铋复合薄膜的方法 | |
| CN101748490A (zh) | 一种在单晶硅片表面制备Co3O4复合薄膜的方法 | |
| CN1654393A (zh) | 玻璃基片表面制备巯基硅烷－稀土纳米复合薄膜的方法 | |
| CN1730377A (zh) | 单晶硅片表面制备巯基硅烷－稀土自润滑复合薄膜的方法 | |
| Bose et al. | Utilization of nanoporous biosilica of diatoms as a potential source material for fabrication of nanoelectronic device and their characterization | |
| CN101412589A (zh) | 一种在玻璃基片表面制备TiO2复合薄膜的方法 | |
| CN1263697C (zh) | 玻璃基片表面制备磺酸基硅烷－稀土纳米复合薄膜的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20091014 |