CN106814010A - 一种基于超高真空条件下固体表面接触角测量装置及测量方法 - Google Patents

一种基于超高真空条件下固体表面接触角测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超高真空条件下固体表面接触角测量装置及测量方法，为金属腔体构成的封闭体系，其一端通过闸板阀与超高真空系统相连接，控制装置的抽空及进气；腔体上装备有两个相对的视窗，实现样品表面上液滴的成像；腔体上接有全量程真空计，实现腔体真空度的检测；腔体内置组件包含传样杆，实现样品在该装置和超高真空系统之间的转移；腔体内置组件包含样品台，实现样品的装载；腔体内置组件包含带有进液阀的毛细管，实现微升级液滴的调控；腔体外置组件包含面光源和CCD摄像头，通过视窗实现液滴的成像；腔体外置组件包含进液枪，和毛细管一起实现液滴的微升级调控；腔体外置组件包含抽气机组，实现腔体的抽空。

Description

一种基于超高真空条件下固体表面接触角测量装置及测量方法
技术领域
本发明是一种基于超高真空条件(10-9-10-11mbar)下固体表面接触角测量装置，该装置用于与超高真空系统相连接，超高真空系统中样品转移到该装置，实现在高纯惰性气氛中测量干净样品表面的接触角。适用的样品要求能适应于超高真空系统、表面平整，且不会与液体发生反应。如单晶、金属薄片、薄膜等。与此同时，该装置还满足大气环境或高纯惰性气体条件下样品表面的接触角测量。
背景技术
接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。若θ<90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好；若θ>90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。如图1所示，图1为液滴在样品表面的示意图，其中γSV，γSL，γLV分别表示固体-气体、固体-液体、以及液体-气体的界面自由能，θ为液滴在样品表面的接触角。
一滴小液体转移到水平固体表面上，当达到平衡时，形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏方程(Young Equation)：
γSV＝γSL+γLV×cosθ
由接触角θ可以预测如下几种润湿情况：
1)当θ＝0°，完全润湿；
2)当θ﹤90°，部分润湿或润湿；
3)当θ＝90°，是润湿与否的分界线；
4)当θ﹥90°，不润湿；
5)当θ＝180°，完全不润湿。
测量接触角的方法有角度测量法、长度测量法、力测量法、透过测量法等。其中透过测量法适用于粉末固体样品；角度测量法、长度测量法和力测量法适用于连续平整的固体样品。但目前应用最广泛的还是角度测量法。角度测量法又分为静态液滴法、倾斜板法等。就以上各种测量方法中，其中最直接，最准确，最广泛的测量方法是静态液滴外形图像分析法。
现有的静态液滴法是通过微量进液系统把微升量级液滴转移到待测的样品表面，通过背景面光源对光线的调节，使得CCD摄像头对液滴进行清晰成像，通过软件分析得出样品表面的接触角数据。虽然现有的装置可以比较精确的在大气环境下测量样品表面的接触角，但是这种测量技术不能精确测量一些在超高真空中制备的干净样品的表面接触角，因为超高真空中的样品在暴露大气过程中，大气环境中的碳氢化合物、碳氧化合物、粉尘等杂质会在极短的时间内吸附到样品表面，这对样品的接触角会产生较大的影响。因此，无污染、更真实的测量样品表面的接触角俨然成为了一个难题。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种固体表面接触角测量装置，
本发明技术解决方案：一种基于超高真空条件下固体表面接触角测量装置，包括：
金属可密闭的腔体，腔体一端与超高真空系统相连接；
位于腔体内的样品转移系统和装载系统，样品转移系统为传样杆，实现样品在腔体和超高真空系统之间的转移；装载系统为样品台，实现样品的装载；
样品测量系统，包括两个光学视窗、CCD摄像头、面光源、进液枪、带有进液阀的毛细管；其中带有进液阀的毛细管位于腔体内，进液阀可实现超高真空与常压液体的隔绝；进液枪位于腔体外，与带有进液阀的毛细管实现微升级液滴的调控；光学视窗位于腔体上，面光源实现背景亮度调节，面光源和CCD摄像头位于腔体外，通过光学视窗实现样品表面上液滴的成像；
位于腔体上连接的全量程真空计，实现腔体真空度的检测；
抽气及进气系统，位于腔体外，实现腔体的抽空及进气。
所述样品台中，通过直线驱动器实现样品台的升降，通过角度可调波纹管实现样品台的水平，通过磁力连接实现样品台的旋转，样品台内卡槽中装有金属簧片以实现样品的稳固。
所述两个光学视窗，在样品表面接触角测量时，与样品表面保持三点一线。
所述传样杆的一端通过波纹管密封。
所述毛细管逐级焊接至Φ6钢管，尖端毛细管外径为0.4mm。
所述腔体与超高真空系统的对接是采用刀口法兰对接，并在法兰侧面附有闸板阀。
一种基于超高真空条件下固体表面接触角测量方法，实现步骤为：
(1)将基于超高真空条件下将固体表面接触角测量装置中的腔体通过闸板阀与超高真空系统相连接；
(2)将超高真空系统中制备的干净样品通过传样杆直接转移至腔体中的样品台上，关闭闸板阀；
(3)通入高纯惰性气体至一个大气压；
(4)打开进液阀，通过进液枪注入液体，在毛细管的针尖形成一个微升量级的悬浮小液滴，转动直线驱动器来升高样品台，待毛细管针尖的小液滴接触到样品表面，再调节直线驱动器降低样品台，实现液滴从毛细管针尖转移到样品表面的过程；
(5)调节样品表面的高度，使得样品表面和CCD保持同一高度，调节背景光源的亮度得CCD对样品表面的小液滴进行清晰成像；
(6)图像通过传输线缆传入电脑，运用计算机软件对液滴成像进行分析，最终获得干净样品表面的接触角数据。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明装置可以与超高真空系统相连接，实现超高真空下样品无污染的转移，从技术上来说可以完全避免样品与空气的接触，可以完全杜绝外界杂质对样品表面接触角的影响，实现了超高真空与高纯惰性气体之间的完美切换，能够真实地测量干净样品表面的接触角。
(2)本发明在满足大气环境中样品表面接触角测量的基础上，还可以在高纯惰性气体保护的条件下对样品表面接触角进行测量。腔体配有抽气和进气系统，样品测量时可以在腔体中通入一个大气压的高纯保护气，进而通过测量系统测量出样品表面的接触角。
(3)本发明设计简单，制作安装简便，维护容易，易于实现，能在测量干净样品表面接触角领域发挥极大的作用。
附图说明
图1为液滴在样品表面的接触角示意图；
图2为本发明的主结构示意图；
图3为图1的俯视图；
图4为图1的侧视图；
图5为图1的后视图；
图6为样品接触角测量系统示意图；
图7为装样台放大图。
1：主腔体；2：360度可旋样品台；3：直线驱动器；4：角度可调波纹管；5：进气口；6：出气口；7：外接抽气机组；8：全量程真空计；9：光学视窗；10：毛细管；11：进液阀；12：传样杆；13：闸板阀；14：进液枪；15：CCD；16：面光源；17：金属簧片。
具体实施方式
如图2所示，本发明是一种基于超高真空条件下固体表面接触角的测量装置，能够与超高真空系统相连接，防止表面杂质的污染，实现干净表面上的接触角精确测量。
本发明装置包括金属可密闭腔体一个，样品转移和装载系统，样品测量系统，抽气及进气系统。
本装置通过刀口法兰与超高真空系统相连接，法兰侧面附有闸板阀13，用于实现本装置与超高真空系统之间的连通和隔绝。
本装置是可外接超高真空系统的独立的腔体1，腔体前后有两个相对的光学视窗9，样品表面接触角测量时，该组光学视窗和样品表面基本保持三点一线。
样品转移和装载系统，包括传样杆12、样品台2、直线驱动器3、角度可调波纹管4；传样杆12实现样品在该装置与腔体1之间的转移；样品台2装载样品，直线驱动器3实现样品台2的升降，通过角度可调波纹管4实现样品台2的水平，通过磁力连接可实现样品台2的360°旋转，样品台2内卡槽中装有金属簧片17，以实现样品的稳固。
样品测量系统，包括一对光学视窗9、CCD摄像头15、面光源16、进液枪14、进液阀11和毛细管10；其中光学视窗9位于腔体1上，面光源16和CCD摄像头15位于腔体1外，CCD摄像头15通过光学视窗9对液滴在样品表面进行高清成像，面光源16通过光学视窗9对成像效果进行光学亮度调节。进液枪14为液体注射器，位于腔体1外，进液阀11可实现超高真空与常压液体无污染的隔绝，毛细管10位于腔体1内，通过逐级焊接把毛细管焊接至Φ6钢管上，毛细管尖端外径为0.4mm，进液阀11和毛细管10一起来实现液滴微升量级的调控。
抽气及进气系统包括进气口6，出气口7，与8连接的外接抽气机组；其中进气口6和出气口7分别位于腔体1上，外接抽气机组包括分子泵和机械泵。
位于腔体1上的全量程真空计8，实现腔体真空度的检测；
本发明装置的工作原理是：通过该装置与超高真空系统相连接，实现超高真空样品无污染的转移至该设备，运用惰性气氛对超高真空样品进行气氛保护；通过进液枪和毛细管对液滴进行微升级调控，再通过样品台的升降实现液滴从毛细管针尖转移至样品表面；通过CCD摄像头对样品表面的小液滴进行高清成像和计算机软件对图像的处理最终获得干净样品表面的接触角数据。
本发明装置的测试方法和过程如下：
(1)超高真空系统中制备的干净样品通过传样杆转移至该装置样品台上，关闭该设备与超高真空的闸板阀。
(2)打开进气阀，往该装置中通入高纯惰性气体(99.999％)至一个大气压。
(3)打开进液阀，通过进液枪注入液体，在毛细管的针尖形成一个微升量级的悬浮小液滴，转动直线驱动器来升高样品台，待毛细管针尖的小液滴接触到样品表面，再调节直线驱动器降低样品台，实现液滴从毛细管针尖转移到样品表面的过程。
(4)调节样品表面的高度，使得样品表面和CCD保持同一高度，调节背景光源的亮度使得CCD对样品表面的小液滴进行清晰成像。
(5)图像通过传输线缆传入电脑，运用计算机软件对液滴成像进行分析，最终获得干净样品表面的接触角数据。
实施例1
本装置可以直接测量超高真空中样品干净表面的接触角。
这种基于超高真空条件下固体表面接触角的测量装置用于与超高真空系统相连接，超高真空系统中制备的干净样品(如graphene/Pt(111)，BN/Pt(111)，FeO/Au等)通过传样杆可以直接转移至该装置中，关闭该设备与超高真空的闸板阀，通过进气阀往该装置中通入高纯惰性气体(99.999％)至一个大气压，打开进液阀，通过进液枪注入液体，在毛细管的针尖形成一个微升量级的悬浮小液滴，转动直线驱动器来升高样品台，待毛细管针尖的小液滴接触到样品表面，再调节直线驱动器降低样品台，就实现了液滴从毛细管针尖转移到样品表面的过程。进一步调节样品表面的高度，使得样品表面和CCD保持同一高度，调节背景光源的亮度使得CCD对样品表面的小液滴进行清晰成像。图像通过传输线缆传入电脑，运用计算机软件对液滴成像进行分析，最终获得干净样品表面的接触角数据。
实施例2
本装置可以独立的进行高纯惰性气体保护下的样品接触角测量。
本装置虽然可以与超高系统相连接，但同时也是一个可以独立完成样品接触角测试的系统。在高纯惰性气氛条件下样品表面接触角的测量方法和过程如下：
打开该装置的一个水平玻璃视窗，通过镊子把待测样品放置在样品台上，更换新的铜垫圈重新安装刚打开的玻璃视窗，使得该设备处于密封状态。
打开抽气机组，待抽气机组把该设备内部真空抽成10-6mbar量级或者更低时，关闭抽气机组与腔体之间的阀门。
打开进气阀，往该装置中通入高纯惰性气体至一个大气压。
打开进液阀，通过进液枪注入液体，在毛细管的针尖形成一个微升量级的悬浮小液滴，转动直线驱动器来升高样品台，待毛细针尖的小液滴接触到样品表面，再调节直线驱动器降低样品台，实现液滴从毛细管针尖转移到样品表面的过程。
调节样品表面的高度，使得样品表面和CCD保持同一高度，调节背景光源的亮度使得CCD对样品表面的小液滴进行清晰成像。
图像通过传输线缆传入电脑，运用计算机软件对液滴成像进行分析，最终获得干净样品表面的接触角数据。
实施例3
本装置可以充当现有的接触角测量装置，可独立的在大气环境中进行样品表面接触角测量。
在大气条件下样品表面接触角的测量方法和过程如下：
打开该装置的一个水平玻璃视窗，通过镊子把待测样品放置在样品台上。
打开进液阀，通过进液枪注入液体，在毛细管的针尖形成一个微升量级的悬浮小液滴，转动直线驱动器来升高样品台，待毛细针尖的小液滴接触到样品表面，再调节直线驱动器降低样品台，实现液滴从毛细管针尖转移到样品表面的过程。
调节样品表面的高度，使得样品表面和CCD保持同一高度，调节背景光源的亮度使得CCD对样品表面的小液滴进行清晰成像。
图像通过传输线缆传入电脑，运用计算机软件对液滴成像进行分析，最终获得干净样品表面的接触角数据。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超高真空条件下固体表面接触角测量装置，其特征在于包括：
金属可密闭的腔体，腔体一端与超高真空系统相连接；
位于腔体内的样品转移系统和装载系统，样品转移系统为传样杆，实现样品在腔体和超高真空系统之间的转移；装载系统为样品台，实现样品的装载；
样品测量系统，包括两个光学视窗、CCD摄像头、面光源、进液枪、进液阀、毛细管；其中毛细管位于腔体内，进液阀可实现超高真空与常压液体的隔绝；进液枪位于腔外，与带有进液阀的毛细管实现微升级液滴的调控；光学视窗位于腔体上，面光源实现背景亮度调节，面光源和CCD摄像头位于腔体外，通过光学视窗实现样品表面上液滴的成像；
位于腔体上连接的全量程真空计，实现腔体真空度的检测；
抽气及进气系统，位于腔体外，实现腔体的抽空及进气。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述样品台中，通过直线驱动器实现样品台的升降，通过角度可调波纹管实现样品台的水平，通过磁力连接实现样品台的旋转，样品台内卡槽中装有金属簧片以实现样品的稳固。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述两个光学视窗，在样品表面接触角测量时，与样品表面保持三点一线。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述传样杆的一端通过波纹管密封。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述毛细管逐级焊接至Φ6钢管，尖端毛细管外径为0.4mm。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述腔体与超高真空系统的对接是采用刀口法兰对接，并在法兰侧面附有闸板阀。
7.一种基于超高真空条件下固体表面接触角测量方法，其特征在于实现步骤为：
(1)将基于超高真空条件下将固体表面接触角测量装置中的腔体通过闸板阀与超高真空系统相连接；
(2)将超高真空系统中制备的干净样品通过传样杆直接转移至腔体中的样品台上，关闭闸板阀；
(3)通入高纯惰性气体至一个大气压，打开进液阀，通过进液枪在毛细管针尖对液滴进行微升级调控，升高样品台，把液滴转移到待测样品表面；
(4)通过准平的CCD成像系统对样品表面的液滴进行高清成像，运用计算机软件对液滴图像进行分析，从而获得干净样品表面的接触角数据。
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