CN108707871B - 一种具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法 - Google Patents

一种具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法，该方法对基底进行超声清洗和干燥处理，通过磁控共溅射技术制备金属/非金属复合结构薄膜，通过一定的非金属靶/金属靶功率比及沉积温度得到特殊的表面纳米结构，从而实现超疏水特性。本方法过程环境友好，简单易行，不需要借助模板，对基底无特殊要求，只需一步即可得到疏水性优异、膜基结合力强的复合薄膜，在自清洁材料、生物材料、微流体装置、抗腐蚀等领域都具有良好的应用潜力和前景，为超疏水薄膜的工业化应用提供了新的技术思路。

Description

一种具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于超疏水薄膜材料技术领域，特别涉及一种具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜及其制备方法，所制备材料可用于自清洁材料、生物材料、微流体装置、抗腐蚀等领域。
背景技术
具有超疏水特性的薄膜材料在自清洁材料、生物材料、微流体装置、抗腐蚀等领域都有着广泛的用途，其定义是与水接触时的接触角大于150°同时滚动角小于10°的材料表面。在自然界中就存在很多超疏水材料，例如荷叶的表面、蜻蜓的翅膀等均表面出超疏水的特性。目前，对于超疏水材料的研究主要集中在以下两方面：一是设法构建具有微纳结构的粗糙表面，如利用多孔氧化铝模板、使用等离子体轰击或利用激光、电子束、聚焦离子束进行微加工，但电子束光刻、激光直写以及聚焦离子束微加工这三种方法耗时耗力，不能大面积制备，并且其异常高昂的成本也难以接受；二是使用特殊材料降低表面能，常见的为含氟有机化合物如全氟硅烷或石墨烯等。
公开号为CN103849910A的中国专利文献公开了一种网状超疏水材料的制备方法。利用氢气泡模板法制备多孔网状铜薄膜，再将该薄膜在一定温度下氧化得到氧化铜，最后用十二烷基硫醇和十四酸进行表面修饰得到超疏水多孔网状薄膜。该方法相对于其他的模板法，制备流程相对简单，无需去掉模板且有望实现大规模制备。公开号为CN101962796A的中国专利文献公开了一种在材料表面制备超疏水薄膜的方法，是利用高能离子束对基体材料进行轰击以产生无规则的微纳突起结构，再利用离子注入形成过渡层，最后在表面覆盖氟碳薄膜以达到疏水效果。该方法得到的薄膜疏水性好，膜基结合力强。但是高能离子束轰击价格昂贵，加工效率较低，限制了该方法的大规模应用。公开号为CN104402242A的中国专利文献公开了一种超疏水碳薄膜的制备方法，是利用化学法经过复杂的聚合反应制备出石墨烯/聚酰亚胺前驱体薄膜，再经过600～1800℃的热处理过程形成石墨烯/玻璃碳复合薄膜，再经等离子体处理及含氟硅烷甲苯溶液处理最终得到超疏水碳薄膜。其步骤繁琐复杂，需要高温处理，效率低下，且制备过程包含多种有毒有害的有机试剂。另外，石墨烯价格昂贵，不利于该方法的广泛推广。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用非平衡射频磁控共溅射技术制备的具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜及其制备方法，该方法是利用金属材料与非金属材料的在溅射过程中沉积速率及生长形态的不同，通过控制沉积条件使两者发生分离，最终获得一种表面具有特殊纳米结构的超疏水薄膜。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)对基底进行超声清洗和干燥处理，然后将其装夹在试样托盘上，并送入溅射腔体；
2)将金属靶材和非金属靶材安装在具有非平衡磁场的靶位上，并将溅射腔体抽至预定的本底真空度；
3)以高纯氩气为工作气体，工作气压为0.1～0.3Pa，偏压为-80～-100V；在预定温度下通过控制非金属靶和金属靶功率比范围为1.25:1～5:1，共溅射金属靶和非金属靶，试样盘以10度/秒的速度旋转；
4)试样盘在溅射腔体中随炉冷却至室温后取出，获得具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述基底为单晶硅、石英、氧化硅、不锈钢或蓝宝石。
进一步，步骤3)中，所述预定温度为150～450℃。
进一步，步骤3)中，所述溅射过程，金属靶和非金属靶均使用射频电源溅射，其中金属靶的溅射功率范围为20～40W，非金属靶的溅射功率范围为45～130W。
进一步，所述金属采用铜、银、金、铝或钛；所述非金属采用氧化物、氮化物或碳化物：所述氧化物为氧化铝、氧化锌、氧化硅、氧化锆或氧化铪。
所述氮化物为氮化铝、氮化钛、氮化硅、氮化锆等。所述碳化物为碳化硅、碳化钛或碳化钨。
进一步，具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜中，金属以直径35～65nm的柱状形式间隔15～30nm排列于基底之上，该金属纳米柱的长径比为2～4；非金属膜层厚度为15～50nm；复合薄膜的整体厚度为100nm以上。
进一步，所述金属/非金属复合薄膜表面与水的接触角不小于145°，水滴在金属/非金属复合薄膜表面的滚动角小于10°。
本发明金属以柱状的形式、以一定的尺寸、分布间距、垂直地生长于非金属膜层中并延伸至非金属膜层外，形成具有类似于梳子齿结构的纳米复合薄膜。相较于需要借助模板来制备的工艺，如电化学沉积或化学液相沉积方法，本工艺简单易行，不需要借助模板，对基底无特殊要求，可实现大面积制备，且膜基结合力强。相较于以有机聚合物为主体的超疏水薄膜，本工艺环境友好，无需使用化学试剂，无需进行表面修饰，只需一步即可得到具有超疏水特性的薄膜，且所用材料安全无毒、廉价易得。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、相较于需要借助模板来制备的工艺，如电化学沉积或化学液相沉积方法，本工艺简单易行，不需要借助模板，对基底无特殊要求，可实现大面积制备，且膜基结合力强。
2、相较于以有机聚合物为主体的超疏水薄膜，本工艺环境友好，无需使用化学试剂，无需进行表面修饰，只需一步即可得到具有超疏水特性的薄膜，且所用材料安全无毒，廉价易得。
3、本发明所采用的环境友好的物理气相沉积技术，只需一步即可制备具有超疏水性的薄膜，设备操作方便、效率高、可靠性高、成本低廉，且通过工艺的严格调控即可实现对表面微结构的调控，在自清洁材料、生物材料、微流体装置、抗腐蚀等领域都具有良好的应用潜力和前景。
附图说明
图1为金属/非金属复合薄膜结构示意图：1为金属纳米柱；2为非金属膜层；3为基底；
图2为实施例1中Al2O3/Cu复合薄膜的截面透射电镜照片；
图3为实施例1中Al2O3/Cu复合薄膜的表面纳米结构的扫描电镜照片；
图4为实施例1中Al2O3/Cu复合薄膜与水的接触角测试照片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术内容做进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
本发明具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)对材质为单晶硅、石英、氧化硅、不锈钢或蓝宝石的基底进行超声清洗和干燥处理，然后将其装夹在试样托盘上，并送入溅射腔体。
2)将铜、银、金、铝或钛金属靶材和氧化铝、氧化锌、氧化硅、氧化锆、氧化铪，或氮化铝、氮化钛、氮化硅、氮化锆，或碳化硅、碳化钛或碳化钨等非金属靶材安装在具有非平衡磁场的靶位上，并将溅射腔体抽至预定的本底真空度。
3)以高纯氩气为工作气体，工作气压为0.1～0.3Pa，偏压为-80～-100V；在预定150～450℃温度下通过控制非金属靶和金属靶功率比范围为1.25:1～5:1，共溅射金属靶和非金属靶，金属靶和非金属靶均使用射频电源溅射，其中金属靶的溅射功率范围为20～40W，非金属靶的溅射功率范围为45～130W。试样盘以10度/秒的速度旋转。
4)试样盘在溅射腔体中随炉冷却至室温后取出，获得具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜。
具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜中，金属以直径35～65nm的柱状形式间隔15～30nm排列于基底之上，该金属纳米柱的长径比为2～4；非金属膜层厚度为15～50nm；复合薄膜的整体厚度为100nm以上。
金属/非金属复合薄膜表面与水的接触角不小于145°，水滴在金属/非金属复合薄膜表面的滚动角小于10°。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。
实施例1
Al2O3/Cu超疏水复合薄膜的制备：用单晶硅为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将铜靶和氧化铝靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至450℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为3:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.1Pa，采用射频电源对铜靶和氧化铝靶进行共溅射，铜靶和氧化铝靶的功率分别为40W和120W，溅射过程中施加-80V的负偏压，溅射90min。样品在0.1Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的的截面结构如图1所示，截面透射电镜照片如图2所示。金属纳米柱1，其直径约为50nm，长径比约为3.4，排列间隔约为25nm。非金属膜层2，厚度约为25nm，整体膜厚约为170nm。3为基底。复合薄膜的表面纳米结构形貌如图3的扫描电镜照片所示。图4为该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为154°，滚动角小于10°。
实施例2
ZnO/Ag超疏水复合薄膜的制备：用石英为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将银靶和氧化锌靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至150℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为1.25:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.3Pa，采用射频电源对银靶和氧化锌靶进行共溅射，银靶和氧化锌靶的功率分别为36W和45W，溅射过程中施加-100V的负偏压，溅射60min。样品在0.3Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为35nm，长径比约为4，间隔为15nm，非金属膜厚约为35nm，整体膜厚约为140nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为151°，滚动角小于10°。
实施例3
SiO2/Au超疏水复合薄膜的制备：用氧化硅片为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将金靶和氧化硅靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至300℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为4:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.1Pa，采用射频电源对金靶和氧化硅靶进行共溅射，金靶和氧化硅靶的功率分别为30W和120W，溅射过程中施加-100V的负偏压，溅射90min。样品在0.1Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为40nm，长径比约为3，间隔为20nm，非金属膜厚约为15nm，整体膜厚约为120nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为149°，滚动角小于10°。
实施例4
ZrO2/Al超疏水复合薄膜的制备：用不锈钢衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将铝靶和氧化锆靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至200℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为3.25:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.2Pa，采用射频电源对铝靶和氧化锆靶进行共溅射，铝靶和氧化锆靶的功率分别为40W和130W，溅射过程中施加-90V的负偏压，溅射80min。样品在0.2Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为45nm，长径比约为3.6，间隔为30nm，非金属膜厚约为50nm，整体膜厚约为160nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为145°，滚动角小于10°。
实施例5
HfO2/Ti超疏水复合薄膜的制备：用蓝宝石为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将钛靶和氧化铪靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至400℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为3:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.1Pa，采用射频电源对钛靶和氧化铪靶进行共溅射，钛靶和氧化铪靶的功率分别为40W和120W，溅射过程中施加-100V的负偏压，溅射90min。样品在0.1Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为55nm，长径比约为2.2，间隔为25nm，非金属膜厚约为45nm，整体膜厚约为120nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为148°，滚动角小于10°。
实施例6
AlN/Cu超疏水复合薄膜的制备：用单晶硅为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将铜靶和氮化铝靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至450℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为3.25:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.1Pa，采用射频电源对铜靶和氮化铝靶进行共溅射，铜靶和氮化铝靶的功率分别为40W和130W，溅射过程中施加-80V的负偏压，溅射90min。样品在0.1Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为65nm，长径比约为2，间隔为30nm，非金属膜厚约为30nm，整体膜厚约为130nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为152°，滚动角小于10°。
实施例7
TiN/Ag超疏水复合薄膜的制备：用不锈钢为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将银靶和氮化钛靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至300℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为4.8:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.2Pa，采用射频电源对银靶和氮化钛靶进行共溅射，银靶和氮化钛靶的功率分别为25W和120W，溅射过程中施加-100V的负偏压，溅射80min。样品在0.2Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为40nm，长径比约为3.75，间隔为20nm，非金属膜厚约为50nm，整体膜厚约为150nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为145°，滚动角小于10°。
实施例8
SiN/Au超疏水复合薄膜的制备：用蓝宝石为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将金靶和氮化硅靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至200℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为4.3:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.1Pa，采用射频电源对金靶和氮化硅靶进行共溅射，金靶和氮化硅靶的功率分别为30W和130W，溅射过程中施加-100V的负偏压，溅射90min。样品在0.1Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为40nm，长径比约为3.25，间隔为20nm，非金属膜厚约为25nm，整体膜厚约为130nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为150°，滚动角小于10°。
实施例9
SiC/Cu超疏水复合薄膜的制备：用氧化硅为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将铜靶和碳化硅靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至150℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为3.25:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.2Pa，采用射频电源对铜靶和碳化硅靶进行共溅射，铜靶和碳化硅靶的功率分别为40W和130W，溅射过程中施加-80V的负偏压，溅射90min。样品在0.2Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为45nm，长径比约为3.6，间隔为15nm，非金属膜厚约为30nm，整体膜厚约为160nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为146°，滚动角小于10°。
实施例10
TiC/Ag超疏水复合薄膜的制备：用不锈钢为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将银靶和碳化钛靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至300℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为3.25:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.1Pa，采用射频电源对银靶和碳化钛靶进行共溅射，银靶和碳化钛靶的功率分别为40W和130W，溅射过程中施加-100V的负偏压，溅射60min。样品在0.1Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为65nm，长径比约为2.5，间隔为25nm，非金属膜厚约为40nm，整体膜厚约为160nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为149°，滚动角小于10°。
实施例11
WC/Au超疏水复合薄膜的制备：用不锈钢为衬底，经超声清洗和烘干后将衬底装夹在试样托盘上，送入溅射腔体。将金靶和碳化钨靶分别安装在非平衡磁控靶位上，将溅射腔体的本底真空度抽至2×10-4Pa，衬底温度升至150℃，控制非金属靶和金属靶功率比范围为5:1，之后开始镀膜操作。打开试样盘的自转开关，使其以10度/秒的速度旋转，通入Ar气并保持工作气压在0.3Pa，采用射频电源对金靶和碳化钨靶进行共溅射，金靶和碳化钨靶的功率分别为20W和100W，溅射过程中施加-80V的负偏压，溅射90min。样品在0.3Pa的氩气气氛下冷却。
所得复合薄膜的金属柱直径约为35nm，长径比约为3.1，间隔为20nm，非金属膜厚约为30nm，整体膜厚约为110nm。该实施例所得的复合薄膜与水的接触角测试照片，接触角为152°，滚动角小于10°。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
下述表1给出了本发明方法制备的具有特殊表面结构的金属/非金属复合薄膜与其他公开文献中案例的对比。
表1
制备步骤 接触角 有机试剂使用 模板使用
对比例1 五步 152～157° 使用 不使用
对比例2 五步 148～152° 使用 不使用
对比例3 六步 151～158° 使用 不使用
对比例4 四步 140～150° 使用 使用
对比例5 四步 153° 使用 使用
对比例6 八步 128° 使用 使用
对比例7 五步 145° 使用 使用
本发明 一步 151～154° 不使用 不使用
从上述对比可以看出，经本发明方法得到的具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜，可以在不使用模板及有机试剂的情况下，一步溅射即可得到具有超疏水性的金属/非金属复合薄膜，金属以直径35～65nm的柱状形式间隔15～30nm排列于基底之上，该金属纳米柱的长径比为2～4；而非金属膜层厚度为15～50nm；复合薄膜的整体厚度为100nm以上。本制备工艺得到的具有特殊表面结构的金属/非金属复合薄膜在自清洁材料、生物材料、微流体装置、抗腐蚀等领域都具有良好的应用潜力和前景，为超疏水薄膜的工业化应用提供了新的技术思路。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对基底进行超声清洗和干燥处理，然后将其装夹在试样托盘上，并送入溅射腔体；
2)将金属靶材和非金属靶材安装在具有非平衡磁场的靶位上，并将溅射腔体抽至预定的本底真空度；
3)以高纯氩气为工作气体，工作气压为0.1～0.3Pa，偏压为-80～-100V；在预定温度下通过控制非金属靶和金属靶功率比范围为1.25:1～5:1，共溅射金属靶和非金属靶，试样盘以10度/秒的速度旋转；
4)试样盘在溅射腔体中随炉冷却至室温后取出，获得具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜；
步骤3)中，所述预定温度为150～450℃；
步骤3)中，所述溅射过程，金属靶和非金属靶均使用射频电源溅射，其中金属靶的溅射功率范围为20～40W，非金属靶的溅射功率范围为45～130W；
所述金属采用铜、银、金、铝或钛；所述非金属采用氧化物、氮化物或碳化物；所述氧化物为氧化铝、氧化锌、氧化硅、氧化锆或氧化铪；
所述氮化物为氮化铝、氮化钛、氮化硅或氮化锆；
所述碳化物为碳化硅、碳化钛或碳化钨。
2.根据权利要求1所述的具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述基底为单晶硅、石英、氧化硅、不锈钢或蓝宝石。
3.根据权利要求1所述的具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法，其特征在于，具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜中，金属以直径35～65nm的柱状形式间隔15～30nm排列于基底之上，该金属纳米柱的长径比为2～4；非金属膜层厚度为15～50nm；复合薄膜的整体厚度为100nm以上。
4.根据权利要求1所述的一种具有超疏水特性的金属/非金属复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述金属/非金属复合薄膜表面与水的接触角不小于145°，水滴在金属/非金属复合薄膜表面的滚动角小于10°。
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