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磁控溅射法制备铜薄膜及其超疏水表面改性研究

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摘要

1.绪论

1.1 润湿性能

1.1.1 接触角定义与Young’s方程

1.1.2 Wenzel模型

1.1.3 Cassie-Baxter模型

1.1.4 Cassie-Baxter与Wenzel过渡态

1.1.5 接触角滞后

1.1.6 滚动角

1.2 超疏水表面

1.3 超疏水表面的制备方法

1.3.1 机械加工法

1.3.2 电化学法

1.3.3 溶胶-凝胶法

1.3.4 刻蚀法

1.3.5 气相沉积法

1.3.6 静电纺丝法

1.3.7 模板法

1.3.8 纳米管阵列法

1.4 本文的研究目的与内容

2 薄膜的制备方法及其性能分析

2.1 磁控溅射沉积薄膜的原理

2.2 本实验所用仪器简介

2.3 Cu薄膜制备工艺

2.4 薄膜的表征手段

2.4.1 接触角测试仪

2.4.2 X-射线衍射仪

2.4.3 扫描电子显微镜

2.4.4 傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪

2.4.5 原子力显微镜

3 射频磁控溅射法制备Cu薄膜

3.1 引言

3.2 实验材料和仪器

3.3 Cu薄膜制备

3.3.1 不同工艺参数下Cu膜的制备

3.3.2 不同基底上Cu膜制备

3.4 Cu膜的表征

3.4.1 不同溅射压强下制备Cu膜的结构和形貌

3.4.2 不同溅射功率下制得Cu膜的结构和形貌

3.4.3 不同溅射时间下制得Cu膜的结构和形貌

3.4.4 不同基底上制得Cu膜表征

3.5 本章小结

4 铜片和Cu薄膜表面的自组装硫醇膜制备及其润湿性能

4.1 引言

4.2 实验试剂与仪器设备

4.3 铜片表面自组装膜的制备及表征

4.3.1 铜片上硫醇自组装膜的制备

4.3.2 FTIR表征

4.3.3 接触角表征

4.3.4 交流阻抗谱测试

4.4 正十二硫醇在Cu薄膜上的自组装

4.4.1 自组装时间对Cu薄膜表面水接触角影响

4.4.2 不同工艺参数下制备Cu薄膜

4.4.3 Cu薄膜上硫醇自组装膜的制备

4.4.4 接触角表征

4.5 不同基底上硫醇自组装膜

4.5.1 不同基底上硫醇自组装膜的制备

4.5.2 接触角表征

4.6 本章小结

5 超疏水铜表面的制备

5.1 引言

5.2 实验试剂和仪器

5.3 铜片表面预处理后自组装硫醇膜

5.3.1 铜片表面预处理

5.3.2 接触角表征

5.4 SAMs/Cu膜/铜片超疏水表面制备及表征

5.4.1 超疏水表面的制备

5.4.2 XRD表征

5.4.3 接触角表征

5.4.4 FESEM表征

5.5 SAMs/Cu膜/铜片超疏水表面性能

5.5.1 超疏水表面粘附性能

5.5.2 超疏水表面抗腐蚀性质的研究

5.6 溅射时间对SAMs/Cu膜/铜片表面润湿性能影响

5.6.1 Cu薄膜制备

5.6.2 接触角表征

5.6.3 FESEM表征

5.7 溅射功率对SAMs/Cu膜/铜片表面润湿性能影响

5.7.1 Cu薄膜制备

5.7.2 接触角表征

5.8 溅射压强对SAMs/Cu膜/铜片表面润湿性能影响

5.8.1 Cu薄膜制备

5.8.2 接触角表征

5.9 本章小结

全文结论

致谢

参考文献

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摘要

润湿性是大自然中存在的固有特性,对人们的生活和生产具有重要影响。超疏水材料因为其自清洁性能、防腐蚀性能越来越得到人们的广泛关注。目前,制备超疏水铜表面的方法有很多种,但利用磁控溅射法来制备超疏水铜表面的研究几乎未见报道。
   利用磁控溅射法在玻璃基底上制备Cu薄膜,研究溅射时间、溅射功率和溅射压强对Cu薄膜润湿性能、结构和形貌的影响。结果表明,溅射工艺参数的变化对Cu薄膜的结构、形貌、润湿性能和粗糙度产生显著影响。同时,采用磁控溅射法在陶瓷、玻璃和石英基底上制备Cu薄膜,结果发现不同材质和粗糙度的基底上制备的Cu薄膜其润湿性能不同。
   在铜片上自组装正十二硫醇单分子膜(SAMs),研究SAMs对铜片的润湿性能影响,结果表明正十二硫醇在铜片表面自组装后铜片表面接触角从77°变为117°。此外,对铜片预处理后再自组装正十二硫醇单分子膜,SAMs/铜片疏水性能更好。
   以磁控溅射法制备的Cu薄膜为基板,自组装正十二硫醇单分子膜,研究溅射工艺和基底材质对SAMs/Cu薄膜表面的润湿性能影响。结果表明,溅射工艺的变化对SAMs/Cu膜/玻璃基底表面的接触角影响不大,都在108~120°之间。而SAMs/Cu膜/石英基底表面和SAMs/Cu膜/陶瓷基底表面接触角分别为114.5°和129.79°,说明基底的材质影响SAMs/Cu膜的润湿性能。
   通过改变溅射工艺,在草酸溶液预处理过的铜片表面沉积Cu薄膜,后经正十二硫醇修饰成功制得接触角约为151°,滚动角为4°超疏水铜表面,且所制得超疏水铜表面在空气和水中有良好的抗腐蚀性能。

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