CN101671849A

CN101671849A - 单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN101671849A
Application number: CN200910197094A
Authority: CN
Inventors: 安双利
Original assignee: Shanghai Polytechnic University
Current assignee: Shanghai Polytechnic University
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2010-03-17

Abstract

本发明涉及一种单晶硅片表面磷酸基硅烷－CdSe复合薄膜的制备方法，首先将单晶硅片浸泡在王水中，经加热、自然冷却处理后取出，用去离子水反复冲洗后干燥，再浸入配制好的氨基硅烷溶液中，在基片表面组装氨基硅烷薄膜，然后再置入含有三氯氧化磷和2，3，5－三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中，反应20分钟，取出后用去离子水冲洗，得到表面组装有磷酸基团的薄膜基片；再将该基片置入CdSe悬浮液中，在30～90℃静置2～24小时，取出用大量去离子水冲洗，用氮气吹干，得到表面沉积有CdSe复合薄膜的单晶硅片。本发明工艺简单，成本低，对环境无污染，制得的CdSe复合薄膜具有十分明显的减摩作用，具有良好的抗磨损和抗粘着性能。

Description

单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法。

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，以改善硅材料的微观摩擦磨损性能。目前可以通过自组装方法在单晶硅基片表面制备自组装膜，来改善单晶硅基片表面的减摩抗磨性。

经文献检索发现，公开号为CN1403494的中国发明专利申请公开了一种自组装超薄聚合物膜的制备方法，首先通过自由基共聚合合成膜材料，利用自组装技术制备了具有各种表面性质的超薄聚合物膜。制备的聚合物超薄膜具有减摩、抗磨效果，可用于微型机电系统的润滑与防护。该方法是将摩尔比为0.1～10％硅烷偶联剂与单体以偶氮二异丁腈以引发剂共聚合反应，纯化得到自组装聚合物；在洁净基底上自组装成膜，并且在惰性气体中于100℃～200℃进行热处理10～24小时。该方法制备的自组装薄膜的工艺条件相对比较繁琐，热处理的时间也较长，亦没有涉及到CdSe对薄膜性能的改进和研究。

发明内容

本发明公开一种单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法。以克服现有的制备方法采用自组装薄膜，工艺条件繁琐，热处理时间长等弊端。本名发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染，而且本发明中在单晶硅基片表面制备的CdSe复合薄膜可以将摩擦系数从无薄膜时的0.8降低到0.08左右，具有十分明显的减摩、抗摩作用。

这里提出一种新的自组装复合膜制备方法，即制备CdSe复合薄膜。CdSe被视为准一维纳米材料。现在已经证实CdSe具有奇特的电学性能、超强的力学性能、很好的吸附性能，因而在材料领域引起了极大重视。

但是，CdSe径向的纳米级尺寸很高的表面能导致其容易团聚，分散性较差，降低了CdSe的有效长径比。此外，CdSe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。为了提高CdSe的分散性并增加其与基底界面的结合力，必须通过对CdSe的表面改性及基底表面组装活性基团等方法，来提高CdSe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。

本发明技术方案是这样实现的：一种单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法，其特征在于：采用表面经过纳米氧化铈抛光的单晶硅片作为基底材料，在其表面采用自组装方法制备磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜，具体步骤如下：

A)首先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，在120℃下加热5～6个小时，在室温中自然冷却7～8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；

B)将处理后的单晶硅片浸入配制好的氨基硅烷溶液中，静置12小时，取出后分别用无水甲醇、去离子水冲洗后，用氮气吹干后置于含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反应20分钟，取出后用去离子水冲洗，得到表面组装有磷酸基团的薄膜基片；

C)再将CdSe在室温下按0.05～0.15mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)分散剂，选取超声波功率为40W，超声分散1～4小时，得到稳定的悬浮液；

D)然后将表面组装有磷酸基团的薄膜基片浸入经步骤C)制备好的CdSe悬浮液中，在30～90℃静置2～24小时；

E)取出用去离子水冲洗，冲洗后用氮气吹干，这样就得到表面沉积有改性CdSe复合薄膜的单晶硅片。

根据权利要求1所述的单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法，其特征在于：B)中所述的氨基硅烷溶液中氨基硅烷的体积百分比为0.5～2％，溶剂为无水甲醇。

根据权利要求1所述的单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法，其特征在于：B)中所述的氰化甲烷溶液，组分体积百分比为：三氯氧化磷15～25％，2，3，5-三甲基吡啶15～25％，氰化甲烷50～70％。

在单晶硅片基片表面，氨基硅烷分子中含有可水解的活性基团，能够通过化学建Si-O与具有活性基团Si-OH的基底材料相结合，在基底表面形成一层带有氨基基团的硅烷自组装薄膜；将表面组装了氨基硅烷的基片置入含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中，静置一段时间后，薄膜表面将组装上磷酸基团。再将其置入CdSe悬浮液后，基片表面将沉积CdSe。

本发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染。在单晶硅基片表面制备的CdSe复合薄膜可以将摩擦系数从无薄膜时的0.8降低到0.08左右，具有十分明显的减摩作用。此外CdSe复合薄膜还具有良好的抗磨损性能，有望成为微型机械理想的边界润滑膜。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本实施例不能用于限制本发明，凡采用本发明方法及其相似变化的，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例均采用表面经过纳米氧化铈抛光的单晶硅片作为基底材料，在其表面采用自组装方法制备磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜。

实施例1：

先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，在120℃下加热5～6个小时，在室温中自然冷却7～8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氨基硅烷溶液中，静置12小时，取出后分别用无水甲醇、去离子水冲洗，用氮气吹干后置于含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反应20分钟，取出后用大量去离子水冲洗，得到表面附有磷酸基团的薄膜基片。

在室温下将CdSe按0.05mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)分散剂，选取超声波功率为40W，超声分散1小时，得到稳定的CdSe悬浮液。

将表面组装有磷酸基团硅烷薄膜的单晶硅片浸入制备好的CdSe悬浮液中，在30℃下静置2小时，取出用大量去离子水冲洗，冲洗后用氮气吹干，这样就得到表面沉积有改性CdSe复合薄膜的单晶硅片。

其中采用的氨基硅烷溶液中氨基硅烷的的体积百分比为0.5％，溶剂为无水甲醇；氰化甲烷溶液的组分体积百分比为：三氯氧化磷15％，2，3，5-三甲基吡啶15％，氰化甲烷70％。

采用SPM-9500原子力显微镜(AFM)、JEM-2010扫描电子显微镜(SEM)和PHI-5702型X-光电子能谱仪(XPS)来表征得到的复合膜的表面形貌和化学成分。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。

XPS测试图表明在单晶硅片表面成功地组装了氨基硅烷薄膜；将氨基硅烷薄膜置入到含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反应一段时间后，通过XPS观察到薄膜表面有磷元素，说明薄膜表面被组装上了磷酸基团；SEM图片则清晰地看到CdSe沉积在单晶硅片的表面，形成了CdSe复合薄膜。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CdSe复合膜的摩擦系数。在单晶硅片表面制备的CdSe复合薄膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.12左右，具有十分明显的减摩作用。

实施例2：

先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，在120℃下加热5～6个小时，在室温中自然冷却7～8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氨基硅烷溶液中，静置12小时，取出后分别用无水甲醇、去离子水冲洗后，用氮气吹干后置于含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反应20分钟，取出后用大量去离子水冲洗，得到表面附有磷酸基团的薄膜基片。

在室温下将CdSe按0.1mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)分散剂，超声波分散(40W)2小时，得到稳定的CdSe悬浮液。

将表面组装有磷酸基团硅烷薄膜的单晶硅片浸入制备好的CdSe悬浮液中，在60℃下静置12小时，取出用大量去离子水冲洗，冲洗后用氮气吹干，这样就得到表面沉积有改性CdSe复合薄膜的单晶硅片。

本发明采用的氨基硅烷溶液中氨基硅烷的的体积百分比为1.5％，溶剂为无水甲醇。氰化甲烷溶液的组分体积百分比为：三氯氧化磷20％，2，3，5-三甲基吡啶20％，氰化甲烷60％。

采用实施例1中的表征手段对薄膜质量进行评价。

XPS测试图表明在单晶硅片表面成功地组装了氨基硅烷薄膜；将氨基硅烷薄膜置入到含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反应一段时间后，通过XPS观察到薄膜表面有磷元素，说明薄膜表面被组装上了磷酸基团；SEM图片则清晰地看到CdSe沉积在单晶硅片的表面，形成了CdSe复合薄膜；在单晶硅片表面制备的CdSe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3：

在室温下将CdSe浸按0.15mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)分散剂，超声波分散(40W)4小时，得到稳定的CdSe悬浮液。

将表面组装有磷酸基团硅烷薄膜的单晶硅片浸入制备好的CdSe悬浮液中，在90℃下静置24小时，取出用大量去离子水冲洗，冲洗后用氮气吹干，这样就得到表面沉积有改性CdSe复合薄膜的单晶硅片。

本发明采用的氨基硅烷溶液中氨基硅烷的的体积百分比为2％，溶剂为无水甲醇。氰化甲烷溶液的组分体积百分比为：三氯氧化磷25％，2，3，5-三甲基吡啶25％，氰化甲烷50％。

XPS测试图表明在单晶硅片表面成功地组装了氨基硅烷薄膜；将氨基硅烷薄膜置入到含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反应一段时间后，通过XPS观察到薄膜表面有磷元素，说明薄膜表面被组装上了磷酸基团；SEM图片则清晰地看到CdSe沉积在单晶硅片的表面，形成了CdSe复合薄膜。在单晶硅片表面制备的CdSe复合薄膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.08左右，具有十分明显的减摩作用。

Claims

1、一种单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法，其特征在于：采用表面经过纳米氧化铈抛光的单晶硅片作为基底材料，在其表面采用自组装方法制备磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜，具体步骤如下：

C)再将CdSe在室温下按0.05～0.15mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺分散剂，选取超声波功率为40W超声分散1～4小时，得到稳定的悬浮液；

2、根据权利要求1所述的单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法，其特征在于：B)中所述的氨基硅烷溶液中氨基硅烷的体积百分比为0.5～2％，溶剂为无水甲醇。

3、根据权利要求1所述的单晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe复合薄膜的制备方法，其特征在于：B)中所述的氰化甲烷溶液，组分体积百分比为：三氯氧化磷15～25％，2，3，5-三甲基吡啶15～25％，氰化甲烷50～70％。