專利名稱：在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法。
背景技術(shù)：
潤濕能力.是固體表面的一個很重要特征，通常固體表面的粗糙度和表面能決 定其潤濕能力。超疏水是潤濕能力的一種主要表現(xiàn)，是指水滴與其表面的靜態(tài)接
觸角大于150。，同時也呈現(xiàn)出一個較小的滾動角。隨著納米科學技術(shù)在最近十幾 年的迅猛發(fā)展，超疏水的研究也成為一個熱點，人們在構(gòu)建超疏水性方面做了大 量的研究工作。如中國專利(申請?zhí)?2121553 )公開了一種碳納米纖維的制備 方法，特別涉及一種同時具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米纖維。該制 備方法具有疏水效果好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。中國專利(CN1415800A)公開了一 種超夠水、自潔凈納米結(jié)構(gòu)低表面能的紙；敘述了在普通的紙張表面通過硅膠、 乙酸乙酯和香蕉水處理制備了一層超疏水、自潔凈的納米結(jié)構(gòu)表面。中國專利 (CN1613565A)公開了一種超疏水微細結(jié)構(gòu)表面的制備方法，采用濕化學法在 玻璃或硅片表面制備出氧化鋅結(jié)構(gòu)微細表面，然后采用分子自組裝進行表面修飾 后可得一種接觸角大于150°且接觸滯后小于5°的超疏水表面，該制備方法制得 的表面具有—優(yōu)良的超疏水和啟潔性能。中國專利(CN1379128A)采用化學氣相 沉積罰制備出具有陣列結(jié)構(gòu)的膜，再用熱的濃硫酸、超純水和含有疏水試劑的醇 溶液處理，最后得到超雙疏膜。中國專利(申請?zhí)?1120628.4)提供了一種具有 超疏水性表面的聚合物納米纖維束的制備方法，所制得的聚合物納米纖維束表面 不需要l壬何表面處理即表現(xiàn)為超疏水性。從以上專利可以看出，所制備的超疏水 表面過程都相對比較復(fù)雜，而且在制備過程中又污染物排出，可能會造成環(huán)境污 染，同時制備過程的能耗也相對較高。中國專利(CN139766&A)通過模板擠壓 法制備出具有超疏水表面的聚合物納米纖維，但我們發(fā)現(xiàn)該方法所用的模板易 碎、價格相對較高，這大大限制其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。
目前，人們在構(gòu)建超疏水功能性表面的研究工作時，尤其是在硅表面上實現(xiàn) 超疏水功能時主要重點還是集中在通過激光刻蝕的方法來構(gòu)造出適當?shù)谋砻娲?br> 糙度。這種方法的優(yōu)點是能得到我們設(shè)計好的圖案化的表面和我們所需要的粗糙 度，它的缺點是對設(shè)備的要求很高，不利于其在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用。尋 找一個對設(shè)備要求不太高，能大面積推廣的技術(shù)在硅表面上制備超疏水性表面就 顯得很重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法。 硅作為最主要的半導體材料廣泛的應(yīng)用于微機械微電子領(lǐng)域，在日常生活 中，硅材料.的使用是到處可見。水滴與帶有氧化層的硅片的接觸角為36±1.6°，是 一般的親水材料。我們通過溶膠-凝膠法制備出微觀結(jié)構(gòu)為微米與納米結(jié)構(gòu)并存 的雙層結(jié)構(gòu)，再通過含氟的有機物進行化學修飾后就實現(xiàn)了超疏水性能，水滴與 其表面的接觸角大于150°，同時水滴在材料表面的滾動角小于10°。在硅片表面 上實現(xiàn)超疏水功能，賦予了硅片具有了自潔凈的防污垢功能，在微流體運輸中可 以降低能耗。
本發(fā)明的超疏水性薄膜，是通過溶膠-凝膠法和化學修飾制備而成，它具有 超疏水性，有一定強度，并能支撐一定重量的水滴。
一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法，其特征在于該方法依次包括以下 步驟
A、 薄膜制備
采用NH4OH溶液、乙醇以及正硅酸乙酯配制成溶膠，用提拉法在潔凈的硅
片上進行涂膜，并在大氣氣氛中烘干，使薄膜中的殘余溶劑完全揮發(fā)；
B、 薄膜的化學修飾
制備好的薄膜浸入全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液中，4-6小時后取出即 可得到超疏水性表面。
通過B步驟主要修飾上.低表面能的物質(zhì)以更進一步的降低表面的表面能。 在A步驟的薄膜制備過程中，用提拉法進行薄膜的制備，提升速度為10-14 cm/min，涂膜后，于180-210 °C大氣氣氛中烘干。 在B.步驟的薄膜的化學修飾過程中，全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液的 濃度為0.1-0.3moia.。
本發(fā)明的超疏水表面，是表面呈現(xiàn)微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)共存的雙層結(jié)構(gòu)，上
表層的微米結(jié)構(gòu)的微凸體的平均直徑約為0.2 nm，下表層的納米結(jié)構(gòu)的微凸體的 平均直徑約為13nm，其分布與荷葉表面的結(jié)構(gòu)極其相似。水滴與起表面的接觸 角為155°-157°,同時水滴在材料表面的滑動角小于10°。
本發(fā)明的具有雙層結(jié)構(gòu)的超疏水性薄膜，其超疏水性經(jīng)過長達2個月在空 氣氣氛中保存也不會消失，超疏水性穩(wěn)定。
本發(fā)明在制備過程中不會產(chǎn)生污染物，具有很好的環(huán)境友好性；制備方法操 作簡單，制備出的膜的超疏水性能穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，不需要任何昂貴設(shè)備，且能 規(guī)?；a(chǎn)，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
本發(fā)明的在硅片上制備出具有超疏水性仿生表面，在許多方面均有良好的用
途
1、仿生表面具有不粘水，自潔凈等功能，可以用作微電子微機械系統(tǒng)中一 些減阻元件，以減小噪音，和減小摩擦和防止腐蝕。
2、 仿生表面具有^;的表面能和超疏水特性，可用于無損失超微量液體的輸送。
3、 仿生表面具有穩(wěn)定的物化性能，可以用作特殊工況下的薄膜潤滑材料。


圖1為實施例1的仿生疏水性表面的掃描電子顯微鏡照片。 圖2為實施例1的水滴在仿生表面上的靜態(tài)接觸角照片。
具體實施例方式
實施例1
把3 ml 30 %的NHUOH溶液滴加到50 ml乙醇中，在60 °C攪拌并保持30 min，然后再向其中滴加3 ml的正硅酸乙酯，在60 °C繼續(xù)攪拌90 min，以確 保形成溶膠。再將硅片置入體積比為7: 3的濃硫酸/過氧化氫的Piranha溶液中， 9(TC保溫30min取出后用二次蒸餾水超聲清洗，最后用氮氣吹干。之后，把處 理好的硅片通過提拉法置入配置好的溶膠中，提拉速度為14 cm/min，提拉完畢 后，在空氣中自然涼干5min，然后在210。C大氣氣氛中烘干，確保薄膜中殘 余溶劑揮發(fā)完全。最后把其浸入O.l molA的全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液 中，6h后取出即得到超疏水性表面。水滴與其的接觸角為157±1.6°，滾動角約為 60。
實施例2
按實施例1的操作方法與步驟，將正硅酸乙酯改用為6ml，其余步驟相同， 同樣也能得到超疏水性表面。水滴與其的接觸角為154±1.6°,滾動角約為8°。 實施例3
按實施例1的操作方法與步驟，將全氟辛基三氯甲硅垸的正己烷溶液改為 0.2moi/1，其余步驟相同，同樣也能得到超疏水性表面。水滴與其的接觸角為 155±1.6°,滾動角約為6。。
權(quán)利要求
1、一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法，其特征在于該方法依次包括以下步驟A、薄膜制備采用NH4OH溶液、乙醇以及正硅酸乙酯配制成溶膠，用提拉法在潔凈的硅片上進行涂膜，并在大氣氣氛中烘干；B、薄膜的化學修飾制備好的薄膜浸入全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液中，4-6小時后取出即可得到超疏水性表面。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于在A步驟的薄膜制備過程中， 用提拉法進行薄膜的制備，提升速度為10-14 cm/min，涂膜后，于180-210 °C大 氣氣氛中烘干。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于在B步驟的薄膜的化學修飾過 程中，全氟辛基三氯甲硅烷的正己垸溶液的濃度為0.1 -0.3 mo,1/1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法。該方法采用溶膠-凝膠法制備出表面微觀結(jié)構(gòu)為微米和納米結(jié)構(gòu)共存在的雙層結(jié)構(gòu)，再通過含氟的有機物對其表面進行化學修飾，形成的表面與水的接觸角大于150°，水滴在此表面上的滑動角小于10°，具有良好的超疏水性能。它為拓展硅材料在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了一種新的制備途徑，該方法操作簡單，對設(shè)備要求不高，可規(guī)?；a(chǎn)，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
文檔編號B05D5/00GK101190435SQ200610105280
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月29日
發(fā)明者劉維民, 郭志光 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所