RU2555013C1 - Method of producing hydrophobic or hydrophilic porous silicon - Google Patents
Method of producing hydrophobic or hydrophilic porous silicon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2555013C1 RU2555013C1 RU2014134538/05A RU2014134538A RU2555013C1 RU 2555013 C1 RU2555013 C1 RU 2555013C1 RU 2014134538/05 A RU2014134538/05 A RU 2014134538/05A RU 2014134538 A RU2014134538 A RU 2014134538A RU 2555013 C1 RU2555013 C1 RU 2555013C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- etching
- hydrophobic
- hydrophilic
- porous silicon
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области химии, в частности к способам наноструктурирования и модификации свойств поверхности.The invention relates to the field of chemistry, in particular to methods of nanostructuring and modification of surface properties.
Изобретение позволяет изменять смачиваемость поверхности кремния путем изменения пористости поверхности, в том числе получать гидрофильные и гидрофобные поверхности на основе кристаллического кремния, что может быть применено в устройствах микрофлюидики и для защитных покрытий в кремниевой электронике.The invention allows you to change the wettability of the silicon surface by changing the surface porosity, including the production of hydrophilic and hydrophobic surfaces based on crystalline silicon, which can be used in microfluidics devices and for protective coatings in silicon electronics.
Развитие технологий получения новых материалов с различными свойствами смачивания получило значительное развитие после открытия эффекта лотоса. Данный эффект возникает на поверхности листа лотоса и других растений: капли воды практически не смачивают поверхность, потому что последняя имеет сложный рельеф и покрыта воском, в результате капля приобретает форму шара и легко скатывается. Вследствие данного эффекта наблюдается самоочищение поверхности водными каплями, которое вызвало интерес к данной предметной области для практического использования поверхностей с низким смачиванием. В литературе [1] принято называть поверхности с краевым углом смачивания больше 90° гидрофобными, а с краевым углом менее 90° - гидрофильными. Известно [2], что никакие гладкие поверхности не позволяют достигнуть краевых углов более 120°, для этого необходимо наличие шероховатой, рельефной поверхности.The development of technologies for producing new materials with various wetting properties has been significantly developed after the discovery of the lotus effect. This effect occurs on the surface of a lotus leaf and other plants: water droplets practically do not wet the surface, because the latter has a complex relief and is covered with wax, as a result, the drop takes the form of a ball and easily rolls. Due to this effect, self-cleaning of the surface with water drops is observed, which aroused interest in this subject area for the practical use of surfaces with low wetting. In the literature [1], it is customary to call surfaces with a contact angle greater than 90 ° hydrophobic, and with a contact angle less than 90 ° - hydrophilic. It is known [2] that no smooth surfaces make it possible to reach edge angles of more than 120 °, for this it is necessary to have a rough, embossed surface.
Взаимодействие микрорельефа гидрофобной поверхности с водой описывается двумя состояниями - состоянием Венцеля и состоянием Касси. В состоянии Касси поверхность воды не взаимодействует с углублениями поверхности и контактирует только с верхней частью рельефа, наиболее выступающими элементами. В состоянии Венцеля вода проникает в микроуглубления поверхности, то есть поверхность воды повторяет микрорельеф поверхности твердого тела.The interaction of the microrelief of a hydrophobic surface with water is described by two states - the Wenzel state and the Cassie state. In the Cassi state, the surface of the water does not interact with the recesses of the surface and contacts only with the upper part of the relief, the most prominent elements. In Wenzel’s state, water penetrates into micro-depressions of the surface, i.e. the surface of the water repeats the microrelief of the surface of a solid.
Развитие методов наноструктурирования привело к развитию технологий, позволяющих создавать поверхности, обладающие эффектом лотоса и супергидрофобными свойствами. Данный эффект достигается путем создания устойчивого состояния Касси на поверхности, означающего гетерогенное смачивание поверхности, при котором между жидкостью и поверхностью имеются воздушные промежутки.The development of nanostructuring methods has led to the development of technologies to create surfaces with a lotus effect and superhydrophobic properties. This effect is achieved by creating a stable Cassie state on the surface, which means heterogeneous wetting of the surface, in which there are air gaps between the liquid and the surface.
Известен способ (US 20130292839 А1, H01L 21/768, опубл. 01.07.2003) получения гидрофобного пористого кремния для широкого класса функциональных применений, в том числе в качестве электрода для жидкостных солнечных батарей. В основе данного метода лежит двухэтапный процесс: получение пористого кремния на первом этапе и последующая гидрофобизация на втором. Для получения супергидрофобных покрытий также используется способ (WO 2010022107 А2, B05D 7/00, опубл. 25.02.2010), состоящий из следующих этапов: нанесение на поверхность кремниевого покрытия центрифугированием, обработка поверхности ультрафиолетовым излучением, отжиг при 300°C и последующее травление кремниевого слоя с образованием нанопроводов. Технология создания нанопроводов может быть изменена с использованием оксида алюминия вместо кремния, также образованные нанопровода могут быть покрыты металлом или полимером для усиления эффекта. Кроме того, предложены одноэтапные химические методы создания супергидрофобных покрытий без предварительной обработки, в данном случае поверхности силоксанового резинового изолятора, путем нанесения специального состава (RU 2400510, C09D 183/08, опубл. 27.09.2010), в котором присутствуют как водоотталкивающий гидрофобизирующий компонент, так и наноразмерные частицы, создающие микроразмерные шероховатости поверхности.A known method (US 20130292839 A1,
Наиболее близким предлагаемому способу является способ получения гидрофобных и гидрофильных поверхностей (US 20110033663 А1, В32В 3/10, опубл. 10.02.2011), в котором для создания гидрофильных и гидрофобных поверхностей используется методика формирования полимерных поверхностей с различной пористостью. Для получения гидрофобных свойств на поверхности создается мультимодально структурированный (структурирование с несколькими характерными пространственными размерами) пористый рельеф. Для получения гидрофильных поверхностей на поверхности создается пористый рельеф с одним характерным пространственным масштабом. Недостатком данной методики является наличие полимерного слоя на поверхности, который может мешать, если важна рабочая поверхность кристаллического кремния, например в кремниевой электронике, на поверхностях кремниевых солнечных батарей. Также полимерное покрытие зачастую требует особых условий, не может подвергаться температурному нагреву или воздействию лазерного излучения. И, наконец, присутствие полимера в целом усложняет способ получения гидрофобной или гидрофильной поверхности необходимостью использовать дополнительное вещество для формирования поверхности с заданной смачиваемостью.The closest to the proposed method is a method for producing hydrophobic and hydrophilic surfaces (US 20110033663 A1, B32B 3/10, publ. 02/10/2011), in which the method of forming polymer surfaces with different porosity is used to create hydrophilic and hydrophobic surfaces. To obtain hydrophobic properties, a multimodally structured (structuring with several characteristic spatial dimensions) porous relief is created on the surface. To obtain hydrophilic surfaces, a porous relief with one characteristic spatial scale is created on the surface. The disadvantage of this technique is the presence of a polymer layer on the surface, which can interfere if the working surface of crystalline silicon is important, for example in silicon electronics, on the surfaces of silicon solar cells. Also, a polymer coating often requires special conditions; it cannot be subjected to temperature heating or laser radiation. And finally, the presence of the polymer as a whole complicates the method of producing a hydrophobic or hydrophilic surface by the need to use an additional substance to form a surface with a given wettability.
В процессе проведенных экспериментов было выявлена возможность модификации поверхности кристаллического кремния методом электрохимического травления с получением различных типов пористости. Данный метод позволяет получать поверхности с мультимодальной пористостью, имеющей характерные размеры как нано-, так и микромасштаба, что является важным для возможности создания супергидрофобных поверхностей. Было обнаружено, что поверхность, обладающую мультимодальной пористостью, возможно получить, используя электрохимическое травление кристаллического кремния через пленку диоксида кремния на поверхности кремния. В данном режиме травления на первом этапе разрушается оксидная пленка и одновременно появляется микрорельеф поверхности, а на втором шаге при продолжении электрохимического травления микроструктурированного кремния на его поверхности создается нанорельеф. Таким образом, возможно создание мультимодально структурированной поверхности кремния. Преимуществом данного метода является его одноэтапность; возможность применения метода для получения как гидрофильных, так и гидрофобных покрытий; отсутствие необходимости в использовании дополнительных гидрофобизирующих веществ.In the course of the experiments, the possibility of modifying the surface of crystalline silicon by electrochemical etching to obtain various types of porosity was revealed. This method allows to obtain surfaces with multimodal porosity, which has the characteristic dimensions of both nano- and microscale, which is important for the possibility of creating superhydrophobic surfaces. It has been found that a surface having multimodal porosity can be obtained using electrochemical etching of crystalline silicon through a silicon dioxide film on a silicon surface. In this etching mode, the oxide film is destroyed at the first stage and the surface microrelief simultaneously appears, and at the second step, with the continued electrochemical etching of microstructured silicon, a nanorelief is created on its surface. Thus, it is possible to create a multimodally structured silicon surface. The advantage of this method is its one-stage; the possibility of applying the method to obtain both hydrophilic and hydrophobic coatings; no need to use additional water-repellent substances.
Задачей изобретения является создание способа получения гидрофильного и гидрофобного покрытий поверхности кристаллического кремния за один технологический шаг.The objective of the invention is to provide a method for producing hydrophilic and hydrophobic coatings of the surface of crystalline silicon in one technological step.
Решение этой задачи, то есть создание поверхности кремния с различной смачиваемостью, возможно за счет использования метода электрохимического травления кристаллического кремния, в результате которого образуется пористый кремний различных типов пористости при использовании различных режимов травления.The solution to this problem, that is, the creation of a silicon surface with different wettability, is possible through the use of the method of electrochemical etching of crystalline silicon, which results in the formation of porous silicon of various types of porosity using various etching modes.
Для реализации данного способа используется традиционный метод электрохимического анодного травления кристаллического кремния в электрохимической ячейке, представленной на Фиг. 1. В ячейке возможно травление поверхности кремния площадью около 600 мм2. В качестве электролита используется раствор плавиковой кислоты в этиловом спирте объемом около 100 мл. Перед процедурой электрохимического травления поверхность кремния подвергается стандартным химическим процедурам очистки, удаляющим или не удаляющим с поверхности слой диоксида кремния. Путем изменения плотности тока травления и времени травления можно получить как пористую поверхность кремния с размерами пор одного характерного нанометрового или субмикронного масштаба, так и пористую поверхность с мультимодальным структурированием, при котором образуются поры с характерным размером нанометрового масштаба и поры с характерным размером микрометрического масштаба. При этом в первом случае при взаимодействии поверхности с водой достигается устойчивое состояние Венцеля и поверхность приобретает гидрофильные свойства, что проявляется в уменьшении краевого угла смачивания по сравнению с гладкой поверхностью кристаллического кремния. Во втором случае возможно достижение устойчивого состояния Касси на мультимодальной структурированной поверхности, которое не достижимо на пористой поверхности с одним характерным микроразмером пор. Для примера использования данной технологии использовался кристаллический кремний ориентации (100) с удельной проводимостью 0.005 Ом/см. Производилась очистка поверхности в водном растворе этилового спирта с использованием ультразвуковой ванны. После чего пластина кремния помещалась в электрохимическую ячейку диаметром 13 мм, в которую заливался 25%-ный раствор плавиковой кислоты в этиловом спирте. В качестве анода использовалась медная пластина, а в качестве катода платиновая спираль, погруженная в электролит. Для создания гидрофобных и гидрофильных поверхностей использовались различные режимы травления. Для создания мультимодальной гидрофобной поверхности использовался режим травления с плотностью тока травления, близкой к плотности тока отрыва кремниевой пленки. В данном режиме диаметр образующихся пор увеличивался, в результате происходило их перекрытие и отрыв частиц пористого кремния от поверхности. В данной экспериментальной конфигурации это соответствовало значению поверхностной силы тока травления в диапазоне I=750-1000 мА/см2. Время травления может меняться в интервале от 5 до 30 с. Микроскопическое изображение полученной таким образом поверхности при травлении в течение 16 с с поверхностной силой тока 900 мА/см2 показано на Фиг. 2. Значение краевого угла на данной поверхности было измерено путем анализа изображения капли воды объемом 10 мкл, лежащей на данной поверхности. Данное изображение представлено на Фиг. 3, и среднее значение краевого угла равно 136°.To implement this method, the traditional method of electrochemical anodic etching of crystalline silicon in the electrochemical cell shown in FIG. 1. In the cell, etching of the silicon surface with an area of about 600 mm 2 is possible. A solution of hydrofluoric acid in ethyl alcohol with a volume of about 100 ml is used as an electrolyte. Before the electrochemical etching procedure, the silicon surface is subjected to standard chemical cleaning procedures that remove or not remove a layer of silicon dioxide from the surface. By changing the etching current density and etching time, one can obtain both a porous silicon surface with pore sizes of one characteristic nanometer or submicron scale, and a porous surface with multimodal structuring, in which pores with a characteristic size of the nanometer scale and pores with a characteristic size of the micrometer scale are formed. In this case, in the first case, when the surface interacts with water, a stable Wenzel state is achieved and the surface acquires hydrophilic properties, which is manifested in a decrease in the wetting angle compared to the smooth surface of crystalline silicon. In the second case, it is possible to achieve a stable Cassie state on a multimodal structured surface, which is not achievable on a porous surface with one characteristic pore micro-size. For an example of using this technology, crystalline silicon of orientation (100) was used with a specific conductivity of 0.005 Ohm / cm. The surface was cleaned in an aqueous solution of ethyl alcohol using an ultrasonic bath. After that, the silicon wafer was placed in an electrochemical cell with a diameter of 13 mm, into which a 25% solution of hydrofluoric acid in ethyl alcohol was poured. A copper plate was used as an anode, and a platinum spiral immersed in an electrolyte as a cathode. Various etching modes were used to create hydrophobic and hydrophilic surfaces. To create a multimodal hydrophobic surface, an etching mode was used with an etching current density close to the separation current density of a silicon film. In this mode, the diameter of the formed pores increased, as a result, they overlapped and the particles of porous silicon detached from the surface. In this experimental configuration, this corresponded to the value of the surface etching current in the range I = 750-1000 mA / cm 2 . The etching time can vary from 5 to 30 s. A microscopic image of the surface thus obtained by etching for 16 s with a surface current of 900 mA / cm 2 is shown in FIG. 2. The value of the contact angle on this surface was measured by analyzing the image of a 10 μl drop of water lying on this surface. This image is shown in FIG. 3, and the average value of the contact angle is 136 °.
При использовании иного режима травления с плотностью тока травления меньше критической, соответствующей отрыву пленки, были получены поверхности с увеличенной гидрофильностью. В данной экспериментальной конфигурации это соответствовало значению поверхностной силы тока травления не более 650 мА/см2. Время травления может варьироваться в диапазоне от 5 до 30 с. На Фиг. 4 показано изображение края капли воды объемом 10 мкл на поверхности полученной таким образом структуры. Поверхность была изготовлена травлением с поверхностной силой тока I=650 мА/см2 в течение 16 с. Измеренный фотографически методом краевой угол смачивания составил 14°.When using a different etching mode with an etching current density less than critical, corresponding to tearing off the film, surfaces with increased hydrophilicity were obtained. In this experimental configuration, this corresponded to a surface etching current strength of not more than 650 mA / cm 2 . The etching time can vary from 5 to 30 s. In FIG. 4 shows the image of the edge of a 10 μl drop of water on the surface of the structure thus obtained. The surface was made by etching with a surface current strength I = 650 mA / cm 2 for 16 s. The wetting angle measured photographically by the method was 14 °.
Таким образом, создаются возможности для создания поверхностей с контролируемой смачиваемостью в одноэтапном процессе путем электрохимического травления пористого кремния. Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата. Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.Thus, opportunities are created for creating surfaces with controlled wettability in a one-step process by electrochemical etching of porous silicon. These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result. The present invention is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result.
Данный способ позволяет в прикладном плане получить возможность создания элементов устройств кремниевой микрофлюидики, применимых для управления микропотоками жидкости в микромеханических и микрофлюидных устройствах, в частности в биочипах.This method allows in the applied plan to get the opportunity to create elements of silicon microfluidics devices that are applicable for controlling fluid microflows in micromechanical and microfluidic devices, in particular in biochips.
Список использованной литературыList of references
1. Л.Б. Бойнович, А.И. Емельяненко. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применения // Успехи химии, 77(7) 2008, стр. 619-638.1. L.B. Boynovich, A.I. Emelianenko. Hydrophobic materials and coatings: principles of creation, properties and applications // Advances in Chemistry, 77 (7) 2008, pp. 619-638.
2. О.I. Vinogradova, A.L. Dubov. Superhydrophobic textures for microfluidics // Mendeleev Communications, 2012, Vol. 22, №5, p. 229-236.2. O.I. Vinogradova, A.L. Dubov. Superhydrophobic textures for microfluidics // Mendeleev Communications, 2012, Vol. 22, No. 5, p. 229-236.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014134538/05A RU2555013C1 (en) | 2014-08-25 | 2014-08-25 | Method of producing hydrophobic or hydrophilic porous silicon |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014134538/05A RU2555013C1 (en) | 2014-08-25 | 2014-08-25 | Method of producing hydrophobic or hydrophilic porous silicon |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2555013C1 true RU2555013C1 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=53538244
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014134538/05A RU2555013C1 (en) | 2014-08-25 | 2014-08-25 | Method of producing hydrophobic or hydrophilic porous silicon |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2555013C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2703909C2 (en) * | 2017-09-01 | 2019-10-23 | Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (АО "НИФХИ им. Л.Я. Карпова") | Method of forming layer of porous silicon on crystalline substrate |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8580102B2 (en) * | 2008-03-04 | 2013-11-12 | Christian-Albrechts-Universitaet Zu Kiel | Method for the fast macropore etching in n-type silicon |
-
2014
- 2014-08-25 RU RU2014134538/05A patent/RU2555013C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8580102B2 (en) * | 2008-03-04 | 2013-11-12 | Christian-Albrechts-Universitaet Zu Kiel | Method for the fast macropore etching in n-type silicon |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
КОТКОВСКИЙ Г.Е. и др., Фотофизические свойства пористого кремния и его применение в технике и биомедицине, "Ядерная физика и инжиниринг", 2013, т.4, N2, с.174-192. YONUGHWAN LEE et al, Effect of wafer resistivity and HF concentration on the formation of vertically aligned porous silicon, "Journal of Industrial and Engineering Chemistry", 2008, Vol.14, N 1, p.p.105-109. KAPAKLIS V. et al, Patterning of porous silicon by metal-assisted chemical etching under open circuit potential conditions, "Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures", 2007, Vol.38, N 1-2, p.p.44-49 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2703909C2 (en) * | 2017-09-01 | 2019-10-23 | Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (АО "НИФХИ им. Л.Я. Карпова") | Method of forming layer of porous silicon on crystalline substrate |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20090317590A1 (en) | Method for fabricating superhydrophobic surface and solid having superhydrophobic surface structure by the same method | |
Ellinas et al. | From superamphiphobic to amphiphilic polymeric surfaces with ordered hierarchical roughness fabricated with colloidal lithography and plasma nanotexturing | |
KR20110074269A (en) | Method for treatment of aluminum surfaces which have tunable adhesiveness to water-droplets | |
KR101078071B1 (en) | Superhydrophobic surface and method for producting the superhydrophobic surface | |
KR20130134826A (en) | Method for manufacturing a self-cleanable superhydrophobic tip for high-precision droplet dispensers and the tip manufactured by the method | |
KR20140005426A (en) | Superhydrophobic surfaces consisted of homogeneously mixed nanostructure and microstructure | |
JP5425111B2 (en) | Method for producing a three-dimensional structure having a hydrophobic surface using an immersion method | |
Li et al. | Superhydrophobicity of bionic alumina surfaces fabricated by hard anodizing | |
CN103299397B (en) | Manufacturing method for molds for nanoimprinting | |
Zheng et al. | Salvinia-effect-inspired “sticky” superhydrophobic surfaces by meniscus-confined electrodeposition | |
CN106119927B (en) | The method that electrochemical treatments prepare anisotropy water-oil separating copper mesh | |
Hong et al. | Preparation of superhydrophobic, long-neck vase-like polymer surfaces | |
AU2008283218B2 (en) | Manufacturing method of 3D shape structure having hydrophobic inner surface | |
Jiang et al. | Surface wettability of oxygen plasma treated porous silicon | |
CN103025923B (en) | The manufacturing installation of nano impression mould and the manufacture method of nano impression mould | |
Stępniowski et al. | Fabrication and geometric characterization of highly-ordered hexagonally arranged arrays of nanoporous anodic alumina | |
JP5337823B2 (en) | Method for producing a three-dimensional structure having a hydrophobic surface using metal foil | |
Sooksaen et al. | Chemical treatment on aluminum alloy for hydrophobic surfaces | |
KR101037192B1 (en) | Method for fabricating super-hydrophobicity surface and solid substrate with the super-hydrophobicity surface by the same method | |
US8394283B2 (en) | Manufacturing method of 3D shape structure having hydrophobic external surface | |
RU2555013C1 (en) | Method of producing hydrophobic or hydrophilic porous silicon | |
Burham et al. | Effect of hydrofluoric acid (HF) concentration to pores size diameter of silicon membrane | |
Formentín et al. | Hydrophobic-oleophilic surfaces based on chemical modification of nanoporous alumina | |
Han et al. | Effect of nanochannel size of surface treated thru-hole alumina membrane in rejection of polar molecules | |
Kim et al. | Superhydrophobic micro-and nanostructures based on polymer sticking |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160826 |