CN1209494C

CN1209494C - 单晶硅基片表面自组装稀土纳米膜的制备方法

Info

Publication number: CN1209494C
Application number: CN 200310108926
Authority: CN
Inventors: 程先华; 吴炬; 白涛; 上官倩芡
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: CN1544690A

Abstract

一种稀土纳米薄膜在单晶硅上的自组装制备方法，属于薄膜制备领域。本发明先将单晶硅片预处理，将处理后的单晶硅片浸入配置好的稀土改性剂中，静置8小时，取出后，用去离子水冲洗后，在室温中晾干后置于烘箱，于120℃保温1个小时，即获得稀土自组装纳米薄膜，其中，稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物：3.5%～7%，乙醇含量：65%～85%，乙二胺四乙酸：1%～4%，氯化铵：2%～5%，尿素：10%～25%，浓盐酸：0.5%～1.5%。本发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染，制得的稀土纳米薄膜分部均匀，成膜致密，且具有十分明显的减摩作用。此外稀土自组装膜还具有良好的抗磨损性能。

Description

单晶硅基片表面自组装稀土纳米膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米薄膜的制备方法，尤其涉及一种单晶硅基片表面自组装稀土纳米膜的制备方法。属于薄膜制备领域。

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。目前可以通过自组装方法在单晶基片表面制备自组装膜，来改善研究稀土表面的减摩抗摩性。自组装膜是通过把适当的基底浸入含有表面活性剂的溶液中，主要由化学吸附作用而生成的一种二维分子体系。自组装膜结构致密、稳定性高，并且具有高度有序性和取向性。自组装分子膜在保护镀层、催化剂、材料表面改性、生物传感器、电极改性、粘合剂等领域有着巨大的应用潜力，现已成为广泛研究的热点。

经文献检索发现，中国专利公开号为：1358804，专利名称为：固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子超薄润滑膜的制备方法，固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子超薄润滑膜的制备方法涉及了一种固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子超薄润滑膜的制备方法，这种方法是在固体表面自组装一层脂肪酸的单分子层。选取易吸附于固体表面的脂肪酸，配制成稀溶液，将制得的陶瓷膜迅速浸入配置好的脂肪酸稀溶液于室温下反应24～48分钟。该方法在制备自组装薄膜的过程中需要24～96h的时间来配制前驱体溶液，这样使得整个的成膜周期过长，而且在基片处理的过程中没有涉及到具体方法，并且该方法是制备了一种有机自组装薄膜，没有涉及到稀土元素对薄膜性能的改进和研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种单晶硅基片表面自组装稀土纳米膜的制备方法，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稀土纳米膜，使其解决微机械系统的摩擦学问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，方法如下：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，加热时间为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，然后将处理后的单晶硅片浸入配置好的稀土改性剂中，静置8小时，取出后，用去离子水冲洗后，在室温中晾干后置于烘箱，于120摄氏度保温1个小时，即获得稀土自组装纳米薄膜。

本发明采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：乙醇含量：65％～85％，稀土化合物：3.5％～7％，乙二胺四乙酸(EDTA)：1％～4％，氯化铵：2％～5％，尿素：10％～25％，浓盐酸：0.5％～1.5％。

本发明的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈中的一种。

本发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染。在单晶硅片表面基片表面乙二胺四乙酸的一个配位原子与硅原子键合，生成牢固的共价键，然后乙二胺四乙酸重的一个配位原子又和稀土元素键合，从而在硅片表面生成了一层稀土纳米薄膜。本发明中的稀土改性剂具有配置简单，自组装成的稀土纳米薄膜分部均匀，成膜致密等优点。在单晶硅基片表面制备的稀土自组装膜可以将摩擦系数从无膜时的0.4降低到0.1左右，具有十分明显的减摩作用。此外稀土自组装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

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1：

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，加热时间为5个小时，在室温中自然冷却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置好的稀土改性剂中，静置8小时。取出后，用去离子水冲洗后，在室温中晾干后置于烘箱，与120摄氏度保温1个小时，即获得稀土自组装纳米薄膜。

本发明采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：

乙醇含量：65％，稀土化合物：5％，乙二胺四乙酸：4％，氯化铵：5％，尿素：25％，浓盐酸：1％。

采用SPM-9500原子力显微镜、L116E型椭圆偏振光测量仪和PHI-5702型X-光电子能谱仪(XPS)来表征薄膜的表面形貌、厚度和化学成分。采用点接触纯滑动微摩擦性能测量仪测量薄膜摩擦系数。

表征的结果表明在单晶硅片上自组装成的薄膜的膜厚在15～50nm之间，XPS测试图表明在单晶硅片表面自组装成的薄膜中含有三价的稀土元素。且看不到二氧化硅的指标，因此单晶硅片的表面都覆盖了一层稀土纳米薄膜。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稀土膜的摩擦系数。在单晶硅片表面制备的稀土自组装膜可以将摩擦系数从无膜时的0.4降低到0.1左右，具有十分明显的减摩作用。

实施例2：

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，加热时间约为6个小时，在室温中自然冷却约7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。

本发明采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：

乙醇含量：83％，稀土化合物：3.5％，乙二胺四乙酸：1％，氯化铵：2％，尿素：10％，浓盐酸：0.5％。

采用实施例1中的表征手段对薄膜质量进行评价。

结果表明在单晶硅片上自组装成的薄膜的膜厚在15～40nm之间，XPS测试图表明在单晶硅片表面自组装成的薄膜中含有三价的稀土元素。且看不到二氧化硅的指标，因此单晶硅片的表面都覆盖了一层稀土纳米薄膜。

实施例3：

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，加热时间约为5个小时，在室温中自然冷却约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置好的稀土改性剂中，静置8小时。取出后，用去离子水冲洗后，在室温中晾干后置于烘箱，与120℃保温1个小时，即获得稀土自组装纳米薄膜。

本发明采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：

乙醇含量：70％，稀土化合物：5％，乙二胺四乙酸：4％，氯化铵：5％，尿素：15％，浓盐酸：1％。

采用实施例1中的实验仪器对薄膜进行评价，表征的结果表明：单晶硅片上用自组装方法得到的薄膜的厚度在15～50nm之间，XPS测试图表明在单晶硅片片表面自组装成的薄膜中含有三价的稀土元素。且看不到二氧化硅的指标，因此单晶硅片的表面都覆盖了一层稀土纳米薄膜。

Claims

1、一种稀土纳米薄膜在单晶硅上的自组装制备方法，其特征在于，首先将单晶硅片放入王水中，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，加热时间为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，然后将处理后的单晶硅片浸入配置好的稀土改性剂中，静置8小时，取出后，用去离子水冲洗后，在室温中晾干后置于烘箱，于120℃保温1个小时，即获得稀土自组装纳米薄膜，其中，稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物：3.5％～7％，乙醇含量：65％～85％，乙二胺四乙酸：1％～4％，氯化铵：2％～5％，尿素：10％～25％，浓盐酸：0.5％～1.5％。

2、如权利要求1的稀土纳米薄膜在单晶硅上的自组装制备方法，其特征在于，所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧、氧化铈中的一种。