CN102009947A

CN102009947A - 一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法

Info

Publication number: CN102009947A
Application number: CN2010102993720A
Authority: CN
Inventors: 赵文杰; 王立平; 曾志翔; 薛群基
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-04-13

Abstract

本发明涉及一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，该方法包括利用等离子体刻蚀复制模塑法和表面化学修饰法相结合，实现在金表面上构筑多种类型的规则微、纳织构，其形貌和尺寸与模板原型表面的微、纳织构相一致的金表面；本发明可以获得多种类型的表面微织构，如圆柱状、圆坑状和沟槽状等等，可以用于材料设计和特殊功能表面的构筑，以及用于要求低粘着和低摩擦的微、纳电子机械系统和硬盘磁记录存储介质系统。本方法也可以仿制出具有动植物表面微、纳织构的仿生金表面，并且具有制备工艺简单、原料易得、成本低、重复性好，制备的规则微、纳织构化金表面表现出较低的粘着力和优异的纳米摩擦学表现。

Description

一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法

技术领域

本发明涉及一种在金表面上制备规则微、纳织构表面的制备技术，特别是一种利用等离子体刻蚀法、复制模塑和化学修饰方法相结合的制备技术，具体地说是一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法。

背景技术

磁记录存储介质、微、纳电子机械系统及航空航天工程等多个领域对宏、微观尺度下摩擦副表面的润滑、防护和抗磨减摩等性能提出了更严峻的要求。传统摩擦学理论认为：相互接触的表面越光滑磨损量越小，但是近年来大量研究却表明：具有一定非光滑形态的表面反而具有更好的抗磨减摩性能。利用可控的精细加工技术在表面构筑规则或仿生织构来改善摩擦副表面性能日益成为研究热点。表面织构，即在表面加工制备出具有一定尺寸和排列的图案阵列。织构化包括图案化微结构和仿生功能表面是高性能润滑表面研究的重要内容。织构化可以改变表面形貌，进而影响摩擦副表面的接触状态和润滑状态。因此设计合适的表面几何造型可显著改善摩擦副表面摩擦磨损性能，延长其使用寿命，对提高摩擦副表面性能和润滑效果具有较大的工程价值，对于节约能源、保护环境有着重要的意义。多种材料表面已实现织构化，如发动机的汽缸、活塞、滑动轴承、密封环，高尔夫球表面、磁存储介质的表面等等。因此，研究不同几何形状和参数的表面形貌造型及其摩擦学性能，并根据润滑摩擦性能要求设计制造出与之匹配的微观几何形貌是本发明研究的重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对当前现有技术现状，提供在金或者其它合金表面上制备出一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，该制备方法具有成本低，重复性好，精度高，而且可以大面积制得规则织构。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，该方法包括利用等离子体刻蚀复制模塑法和表面化学修饰法相结合，实现在金表面上构筑多种类型的规则微、纳织构，其形貌和尺寸与模板原型表面的微、纳织构相一致，所述等离子体刻蚀复制模塑法包括以下步骤：

步骤1：模板的制备：首先采用不同的化学试剂对硅片表面进行清洗，经过熏六甲基二硅胺烷，匀胶，前烘，曝光，显影，后烘，打胶后，采用Suss Ma6光刻机制备出规则织构化图案，在以感应耦合等离子体刻蚀机刻蚀硅片，最后去胶清洗，得到具有不同表面形貌的硅片模板；

步骤2：制备具有规则织构化反形貌的金表面：利用复制模塑技术，用聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，浇注上述硅片模板表面后，在真空干燥箱里加热干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，硅片模板表面的反形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上，然后将复制有硅片模板表面反形貌的混合物上在蒸镀一层金膜，即得到具有硅片模板表面反形貌的金表面；

步骤3：制备具有规则织构化正形貌的金表面：与步骤2方法相同，用聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，浇注步骤1所述硅片模板表面后，在真空干燥箱里加热干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，硅片模板表面的正形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上，然后将复制有硅片模板表面正形貌的混合物上在蒸镀一层金膜，即得到具有硅片模板表面正形貌的金表面。

所采取的进一步技术措施还包括：

上述的表面化学修饰法包括以下步骤：

步骤1：将制备的具有规则微、纳织构金表面浸泡在无水乙醇溶液中，室温下放置24小时；

步骤2：将浸泡的微、纳织构金表面取出，放在干燥箱里加热干燥；

步骤3：用大量的无水乙醇冲洗加热干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附的硫醇分子，最后氮气吹干，完成具有规则微、纳织构金表面的化学修饰。

上述的等离子体刻蚀复制模塑法步骤2、步骤3中作为复制材料的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物的混合质量比为10∶1，所述在真空干燥箱里加热干燥的处理温度为70℃，处理时间为10小时。

上述的等离子体刻蚀复制模塑法步骤2、步骤3中蒸镀的一层金膜，其厚度为100nm。

上述的表面化学修饰法中步骤1中的无水乙醇溶液为十八烷基硫醇无水乙醇溶液，其浓度为5mMol/L。

上述的表面化学修饰法中步骤2中放在干燥箱里加热干燥的处理温度为70℃，处理时间为3小时。

本发明的一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，该方法包括利用等离子体刻蚀复制模塑法和表面化学修饰法相结合，以具有多种类型微、纳规则织构的硅片表面作为模板，制备出具有不同微、纳规则织构的金表面，实现在金表面上构筑多种类型的规则微、纳织构，其形貌和尺寸与模板原型表面的微、纳织构相一致。本发明可以获得多种类型的表面微织构，如圆柱状、圆坑状和沟槽状等等，具有规则微、纳织构的金表面。具有不同规则微、纳织构的金表面具有不同的功能，可以用于材料设计和特殊功能表面的构筑。具有圆柱状、圆坑状和沟槽状微、纳织构的表面，具有显著降低界面粘着力和改善表面纳米摩擦学表现的作用，可以用于要求低粘着和低摩擦的微、纳电子机械系统和硬盘磁记录存储介质系统。本方法也可以仿制出具有动植物例如荷叶、水稻叶、壁虎、水黾、鲨鱼蜣螂等表面微、纳织构的仿生金表面，从而可以应用于不同的工程设计和仿生材料设计。本发明所用的制备方法工艺简单、原料易得、成本低、重复性好，制备的规则微、纳织构化金表面表现出较低的粘着力和优异的纳米摩擦学表现。

附图说明

图1是本发明的具有优异纳米摩擦学表现的规则微/纳织构金表面的制备示意图；

图2a是本发明的具有不同密度圆柱状织构的金表面形貌图二维图；

图2b是本发明的具有不同密度圆柱状织构的金表面形貌图三维图；

图3a是本发明的具有不同密度圆坑状织构的金表面形貌图二维图；

图3b是本发明的具有不同密度圆坑状织构的金表面形貌图三维图；

图4a是本发明的具有不同密度沟槽状织构的金表面AFM图二维图；

图4b是本发明的具有不同密度圆坑状织构的金表面形貌图三维图；

图5a是本发明的具有不同密度圆柱状织构的金表面在化学修饰处理前的粘着力测定；

图5b是本发明的具有不同密度圆柱状织构的金表面在化学修饰处理后的粘着力测定；

图6是本发明的具有不同密度圆柱状织构的金表面的摩擦力测定，对应图a，b，c，d分别为不同高度和密度织构表面在化学修饰处理前后的摩擦力。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。如图1-图6所示，

实施例一，本发明的一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，该方法包括利用等离子体刻蚀复制模塑法和表面化学修饰法相结合，以具有不同密度的圆柱状织构化硅片为模板，制备出具有不同密度的圆柱状微、纳织构的金表面，所述等离子体刻蚀复制模塑法包括以下步骤：

步骤1：模板的制备：首先采用不同的化学试剂对硅片表面进行清洗，经过熏六甲基二硅胺烷，匀胶，前烘，曝光，显影，后烘，打胶后，采用Suss Ma6光刻机制备出规则织构化图案，在以感应耦合等离子体刻蚀机刻蚀硅片，最后去胶清洗，得到具有不同密度的圆柱状织构化硅片模板；

步骤2：制备具有规则织构化反形貌的金表面：利用复制模塑技术，用混合质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，浇注上述硅片模板表面后，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，硅片模板表面的反形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上，然后将复制有硅片模板表面反形貌的混合物上在蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有硅片模板表面反形貌的圆柱状织构化金表面；

步骤3：制备具有规则织构化正形貌的金表面：与步骤2方法相同，用混合质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，浇注步骤1所述硅片模板表面后，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，硅片模板表面的正形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上，然后将复制有硅片模板表面正形貌的混合物上在蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有硅片模板表面正形貌的圆柱状织构化金表面。

为了取得进一步更好的技术效果，提高产品质量，所述的表面化学修饰法包括以下步骤：

步骤1：将制备的具有规则圆柱状微、纳织构金表面浸泡在浓度为5mMol/L的十八烷基硫醇无水乙醇溶液中，室温下放置24小时；

步骤2：将浸泡的微、纳织构金表面取出，放在干燥箱里70℃加热3小时；

步骤3：用大量的无水乙醇冲洗加热干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附的硫醇分子，最后氮气吹干，完成十八烷基硫醇对制备的具有规则微、纳织构金表面的化学修饰。

实施例二，以具有不同密度的圆坑状织构化硅片为模板，制备出具有不同密度的圆坑状微、纳织构的金表面，其等离子体刻蚀复制模塑法包括以下步骤：

步骤1：模板的制备：首先采用不同的化学试剂对硅片表面进行清洗，经过熏六甲基二硅胺烷，匀胶，前烘，曝光，显影，后烘，打胶后，采用Suss Ma6光刻机制备出规则织构化图案，在以感应耦合等离子体刻蚀机刻蚀硅片，最后去胶清洗，得到具有不同密度的圆坑状织构化硅片模板；

步骤2：制备具有规则织构化反形貌的金表面：利用复制模塑技术，用混合质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，浇注上述硅片模板表面后，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，硅片模板表面的反形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上，然后将复制有硅片模板表面反形貌的混合物上在蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有硅片模板表面反形貌的圆坑状织构化金表面；

步骤3：制备具有规则织构化正形貌的金表面：与步骤2方法相同，用混合质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，浇注步骤1所述硅片模板表面后，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，硅片模板表面的正形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上，然后将复制有硅片模板表面正形貌的混合物上在蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有硅片模板表面正形貌的圆坑状织构化金表面。

本实施例的表面化学修饰法其实施的方法和步骤与实施例一相同。

实施例三，以具有不同密度的沟槽状织构化硅片为模板，制备出具有不同密度的沟槽状微、纳织构的金表面，其等离子体刻蚀复制模塑法包括以下步骤：

步骤1：模板的制备：首先采用不同的化学试剂对硅片表面进行清洗，经过熏六甲基二硅胺烷，匀胶，前烘，曝光，显影，后烘，打胶后，采用Suss Ma6光刻机制备出规则织构化图案，在以感应耦合等离子体刻蚀机刻蚀硅片，最后去胶清洗，得到具有不同密度的沟槽状织构化硅片模板；

步骤2：制备具有规则织构化反形貌的金表面：利用复制模塑技术，用混合质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，浇注上述硅片模板表面后，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，硅片模板表面的反形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上，然后将复制有硅片模板表面反形貌的混合物上在蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有硅片模板表面反形貌的沟槽状织构化金表面；

步骤3：制备具有规则织构化正形貌的金表面：与步骤2方法相同，用混合质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，浇注步骤1所述硅片模板表面后，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，硅片模板表面的正形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上，然后将复制有硅片模板表面正形貌的混合物上在蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有硅片模板表面正形貌的沟槽状织构化金表面。

本实施例的表面化学修饰法，其实施的方法和步骤与实施例一相同。

采用本发明的方法制备出的具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构的金表面，其具有以下特点：

1、采用ICP等离子体刻蚀方法制备具有规则织构化的硅片模板。

2、采用聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂混合物为复制材料。

3、制备工艺简单，原料易得，成本低，精度高。以表面具有规则图案化的硅片为模板，利用复制模塑法和表面化学修饰方法相结合，在常温下制得具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面。

4、表现出优异的纳米摩擦学性能。结果表明：微、纳器件表面织构的形状、表面覆盖率、高度或深度、表面粗糙度以及化学修饰对表面的纳米摩擦学性能影响很大，随着柱状高度和表面覆盖率的增加，针尖与织构金表面的接触面积将减小，导致了粘着力减小。摩擦力随柱状织构的高度和表面覆盖率的增加而减小，化学修饰后，摩擦力进一步显著的减小。在同样的针尖扫描速率下，增加柱状织构的高度和覆盖率就会减小针尖与表面的接触面积，摩擦力会减小。坑状表面的摩擦力和粘着力也随着织构表面覆盖率的增加而降低，表面化学处理后，纳米摩擦学性能得到进一步改善。总而言之，增加表面粗糙度和降低表面能，织构化表面会更疏水，粘着力和摩擦力将显著减小。受到该现象启示，可以设计具有优异纳米摩擦学表现的固体表面，应用于实际生活中。

5、重复性好，而且可以大面积制得仿生织构。

本发明制备的具有规则微、纳织构的金表面，具有优异的纳米摩擦学表现，包括低粘着和低摩擦，可以在自清洁、防粘着、低摩擦等领域应用，有望实现在微、纳器件和磁记录存储介质中获得应用。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，所作形式和细节上的各种各样变化，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，其特征是：该方法包括利用等离子体刻蚀复制模塑法和表面化学修饰法相结合，实现在金表面上构筑多种类型的规则微、纳织构，其形貌和尺寸与模板原型表面的微、纳织构相一致，所述等离子体刻蚀复制模塑法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，其特征是：所述的表面化学修饰法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，其特征是：所述的等离子体刻蚀复制模塑法步骤2、步骤3中作为复制材料的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物的混合质量比为10∶1，所述在真空干燥箱里加热干燥的处理温度为70℃，处理时间为10小时。

4.根据权利要求3所述的一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，其特征是：所述的等离子体刻蚀复制模塑法步骤2、步骤3中蒸镀的一层金膜，其厚度为100nm。

5.根据权利要求4所述的一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，其特征是：所述的表面化学修饰法中步骤1中的无水乙醇溶液为十八烷基硫醇无水乙醇溶液，其浓度为5mMol/L。

6.根据权利要求5所述的一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构金表面的加工方法，其特征是：所述的表面化学修饰法中步骤2中放在干燥箱里加热干燥的处理温度为70℃，处理时间为3小时。