CN101665933A - 在单晶硅基片表面制备Co3O4复合薄膜的方法及用途 - Google Patents

Abstract

一种在单晶硅基片表面制备Co₃O₄复合薄膜的方法，先将单晶硅基片置于Pirahan溶液中90℃下处理1小时，然后用去离子水超声清洗，置于防尘烘箱中干燥，再将其浸入硝酸钴溶液和氢氧化钠溶液，将该混合液和高温高压水并行流入反应容器，反应温度为300℃；取Co(NO₃)₂·6H₂O，放入烧杯加水溶解，磁力搅拌后先滴加聚乙二醇溶液和pH＝10的缓冲溶液，再滴加H₂O₂搅拌30min。将此混合液装进内附聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜密封，于200℃下反应20分钟，将反应物混合物离心分离，洗涤、干燥，得到表面附有Co₃O₄薄膜的单晶硅基片，本发明用于微型复杂元器件的规模化生产模具表面，增强抗磨损性能。

Description

在单晶硅基片表面制备Co3O4复合薄膜的方法及用途

技术领域

本发明涉及一种在单晶硅基片表面制备Co₃O₄复合薄膜的方法，用于微型复杂元器件的规模化生产模具表面，增强抗磨损性能。

背景技术

微系统技术的迅猛发展对微型复杂元器件的规模化生产提出日益紧迫的要求，微注射成形技术是近年发展的大规模生产微型元器件的最具潜力的制备技术，目前微注射成形用模具均以单晶硅片为基材，采用深刻蚀技术加工，脆性大，强度低，寿命低。

具有尖晶石结构的Co₃O₄，其颗粒的大小和形貌对其物理化学性能有显著影响，其在压敏陶瓷、催化剂、传感器、电化学物质、磁性物质等方面有着广泛的应用。合成Co₃O₄的常用方法有固相热分解法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、水热法等。与其它的制备薄膜技术相比，自组装薄膜技术具有可操作性、适应性强，具有广泛的应用前景。但是，Co₃O₄分散性较差，在绝大部分溶剂中不溶，湿润性能差，很难与基底形成有效粘结。

发明内容

本发明公开一种在单晶硅基片表面制备Co₃O₄复合薄膜的方法，用于微型复杂元器件的规模化生产模具表面，以增强模具表面抗磨损性能，克服现有技术采用深刻蚀技术加工存在的脆性大，强度低，寿命低等缺陷，既保证模腔的精确性和复杂性，又大大延长模具使用寿命，尤其对于微注射成形技术的规模化应用具有重要的推动作用。

本发明为提高Co₃O₄的分散性并增加其与基底界面的结合力，采用对Co₃O₄的表面改性及基底表面组装活性基团等方法，来提高Co₃O₄与基底表面之间的界面结合程度，获得摩擦学性能良好的复合膜。

一种在单晶硅基片表面制备Co₃O₄复合薄膜的方法，其特征在于：

A)首先对单晶硅基片进行羟基化处理：

将单晶硅基片置于Pirahan溶液中于90℃下处理1小时，所述溶液H₂SO₄与H₂O₂的体积比为＝70∶30，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内在烘箱中干燥，干燥温度没有特殊要求。

B)将处理后的单晶硅基片浸入硝酸钴溶液和氢氧化钠溶液，再将该混合液和高温高压水并行流入反应容器，反应温度为300℃；

C)取0.015-0.02mol的Co(NO₃)₂·6H₂O，放入烧杯中，加水溶解，在磁力搅拌下先后滴加聚乙二醇溶液50g·L^-1和pH＝10的缓冲溶液NH₃-NH₄Cl各5mL，最后滴加8-15mLH₂O₂；搅拌30min。

D)将此混合液装进容积为100mL内附聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，再加入适量正丁醇使填装度为70％，密封后于200℃下反应20分钟，自然冷却至室温后，将反应物混合物离心分离。

E)将所得的黑色沉淀依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，80℃干燥8h，得到表面附有Co₃O₄薄膜的单晶硅基片。

在单晶硅基片表面制备Co₃O₄复合薄膜，用于微型复杂元器件的规模化生产模具表面，以降低脆性，增强抗磨损性能。

本发明工艺简单，不存在环境污染问题；在单晶硅基片表面制备的Co₃O₄复合薄膜可以将摩擦系数从无薄膜时的0.8降低到0.3左右，具有十分明显的减摩作用。此外Co₃O₄复合薄膜还具有良好的抗磨损性能，用于微型复杂元器件的规模化生产模具表面，以增强模具表面抗磨损性能，延长使用寿命。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明加以详细说明，以下实施例是对本发明的解释，是本发明的比较好的应用形式，而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

首先对单晶硅基片采用羟基化处理，处理方法：用Pirahan溶液于90℃下处理1小时，所述溶液H₂SO₄与H₂O₂的体积比为＝70∶30，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内在烘箱中干燥，干燥温度没有特殊要求。这样的时间和温度下处理出来的单晶硅基片羟基化非常完全而且单晶硅基底很平整，没有被腐蚀。然后将处理后的单晶硅基片浸入硝酸钴溶液和氢氧化钠溶液，再将该混合液和高温高压水并行流入反应容器，反应温度为300℃，取0.015mol的Co(NO₃)₂·6H₂O，放入烧杯中，加少量水溶解，在磁力搅拌下先后滴加聚乙二醇溶液(50g·L^-1)和NH₃-NH₄Cl缓冲溶液(pH＝10)各5mL，最后滴加8mL H₂O₂；搅拌30min.将此混合液装进容积为100mL内附聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，再加入适量正丁醇使填装度为70％，密封后于200℃下反应20分钟，自然冷却至室温，将反应物混合物离心分离，所得的黑色沉淀依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，80℃干燥8h，得到表面附有Co₃O₄薄膜的单晶硅基片。

采用点接触纯滑动微摩擦性能测量仪测量复合膜摩擦系数。在单晶硅基片表面制备的Co₃O₄复合膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.4，具有十分明显的减摩作用。

实施例2：

首先对单晶硅基片采用羟基化处理，处理方法：用Pirahan溶液于90℃下处理1小时，所述溶液H₂SO₄与H₂O₂的体积比为＝70∶30，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内在烘箱中干燥，干燥温度没有特殊要求。这样的时间和温度下处理出来的单晶硅基片羟基化非常完全而且单晶硅基底很平整，没有被腐蚀。然后将处理后的单晶硅基片浸入硝酸钴溶液和氢氧化钠溶液，再将该混合液和高温高压水并行流入反应容器，反应温度为300℃，取0.018mol的Co(NO₃)₂·6H₂O，放入烧杯中，加少量水溶解，在磁力搅拌下先后滴加聚乙二醇溶液(50g·L^-1)和NH₃-NH₄Cl缓冲溶液(pH＝10)各5mL，最后滴加10mL H₂O₂；搅拌30min.将此混合液装进容积为100mL内附聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，再加入适量正丁醇使填装度为70％，密封后于200℃下反应20分钟，自然冷却至室温，将反应物混合物离心分离，所得的黑色沉淀依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，80℃干燥8h，得到表面附有Co₃O₄薄膜的单晶硅基片。

采用实施例1中的表征手段对薄膜质量进行评价。在单晶硅基片表面制备的Co₃O₄复合薄膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.3左右，具有十分明显的减摩作用。

实施例3：

首先对单晶硅基片采用羟基化处理，处理方法：用Pirahan溶液于90℃下处理1小时，所述溶液H₂SO₄与H₂O₂的体积比为＝70∶30，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内在烘箱中干燥，干燥温度没有特殊要求。这样的时间和温度下处理出来的单晶硅基片羟基化非常完全而且单晶硅基底很平整，没有被腐蚀。然后将处理后的单晶硅基片浸入硝酸钴溶液和氢氧化钠溶液，再将该混合液和高温高压水并行流入反应容器，反应温度为300℃，取0.015mol的Co(NO₃)₂·6H₂O，放入烧杯中，加少量水溶解，在磁力搅拌下先后滴加聚乙二醇溶液(50g·L^-1)和NH₃-NH₄Cl缓冲溶液(pH＝10)各5mL，最后滴加8mL H₂O₂；搅拌30min.将此混合液装进容积为100mL内附聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，再加入适量正丁醇使填装度为70％，密封后于200℃下反应20分钟，自然冷却至室温，将反应物混合物离心分离，所得的黑色沉淀依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，80℃干燥8h，得到表面附有Co₃O₄薄膜的单晶硅基片。

采用实施例1中的表征手段对薄膜质量进行评价。在单晶硅基片表面制备的Co₃O₄复合薄膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.36左右，具有十分明显的减摩作用。

Claims (2)

1、一种在单晶硅基片表面制备Co₃O₄复合薄膜的方法，其特征在于：

A)首先对单晶硅基片进行羟基化处理：

将单晶硅基片置于Pirahan溶液中于90℃下处理1小时，所述溶液H₂SO₄与H₂O₂的体积比为＝70∶30，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内在烘箱中干燥；

B)将处理后的单晶硅基片浸入硝酸钴溶液和氢氧化钠溶液，再将该混合液和高温高压水并行流入反应容器，反应温度为300℃；

C)取0.015-0.02mol的Co(NO₃)₂·6H₂O，放入烧杯中，加水溶解，在磁力搅拌下先后滴加聚乙二醇溶液50g·L^-1和pH＝10的缓冲溶液NH3-NH4Cl各5mL，最后滴加8-15mLH₂O₂；搅拌30min；

D)将此混合液装进容积为100mL内附聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜内，再加入适量正丁醇使填装度为70％，密封后于200℃下反应20分钟，自然冷却至室温后，将反应物混合物离心分离；

E)将所得的黑色沉淀依次用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，80℃干燥8h，得到表面附有Co₃O₄薄膜的单晶硅基片。

2、一种在单晶硅基片表面制备Co₃O₄复合薄膜的用途，其特征在于：用于微型复杂元器件的规模化生产模具表面，以降低脆性，增强抗磨损性能。