硅基仿生自清洁表面的制备及其润湿特性的研究

摘要

基于“荷叶效应”的表面自清洁技术已经引起了人们的广泛关注。但传统的研究方法大多是基于“自下而上”的技术手段，而对利用“自上而下”的加工方法的报道却很少。本文利用化学湿法蚀刻工艺，以半导体工业中的基础材料硅片为实验基底，仿生制备出了具有“荷叶效应”和“猪笼草效应”的功能性薄膜表面。经研究表明:
　　 (1)通过控制蚀刻时间和蚀刻液浓度，仅利用化学湿法蚀刻工艺就可使金涂层硅基表面的润湿性发生明显改变。与水最高静态接触角为140.4°，而且与表面张力为58mN/m的甲酰胺，静态接触角也达到了113.9°。这说明仅通过改变表面粗糙度这一条途径就可使得表面获得一定的疏水疏油特性。
　　 (2)相比于未经金辅助蚀刻工艺处理过的普通商业硅片，金辅助蚀刻工艺能够显著提高蚀刻效果。通过金辅助电镀蚀刻工艺可以使薄膜表面对水和表面张力比较大的几种油，诸如丙三醇和甲酰胺，达到很高的静态接触角;而未作金涂层处理的普通商业硅片蚀刻后是不具备疏水疏油特性的。由此可见基底成分不同，对实验结果有很大影响。
　　 (3)根据“猪笼草效应”的机理，通过在已制备好的多孔隙硅基表面上预浸润正十六烷和甲基硅油两种表面张力较低的液体，制备出了动态润湿性能优异的多孔隙滑动表面。受测液滴在SLIPS表面上的最小滑动角均小于10.0°，其中甲酰胺在以甲基硅油打底的SLIPS表面上的最小滑动角仅为0.8°。
　　 (4)受自然界中“出淤泥而不染”的荷叶表面自清洁机理的启发，实验制各的薄膜表面不仅对水具有高疏、自清洁性，而且对表面张力很大范围内油类也具有抵制性和自清洁性能。
　　 (5)利用热生长法和乙酸蚀刻处理铝基表面，获得了具有一定疏水疏油效果的薄膜表面。其中在乙酸溶液中蚀刻40min时，薄膜表面与水的静态接触角便达到了142.0°，滚动角为6.0°。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 纳米技术与纳米制造

1．2 仿生微纳结构的制备思想

1．2．1 荷叶效应

1．2．2 猪笼草效应

1．3 蚀刻技术

1．3．1 化学湿法蚀刻技术

1．3．2 干法蚀刻技术

1．4 本论文研究背景与意义

1．5 本论文研究的主要内容

第2章 实验原理、方法与仪器

2．1 基底表面粗糙化的制备机理

2．2 试验所用仪器与设备

2．2．1 真空紫外光刻／表面处理装置

2．2．2 扫描电子显微镜

2．2．3 原子力显微镜

2．2．4 动态接触角测量仪

2．2．5 离子溅射仪

2．3 实验所用到的试剂

第3章 多孔隙硅基双疏表面的制备

3．1 制备原理与过程

3．2 样品形貌分析

3．3 参数对薄膜润湿性的影响

3．3．1 基底成分对表面润湿性的影响

3．3．2 蚀刻时间和蚀刻液浓度对表面润湿性的影响

3．3 薄膜表面改性及热处理探究

3．4 薄膜的AFM表征

3．5 本章小结

第4章 滑动多孔隙表面SLIPS的制备

4．1 实验步骤与过程

4．2 SLIPS表面动态润湿性分析

4．3 预浸润液体种类对表面形貌的影响

4．4 本章小结

第5章 基于荷叶表面的多级复合微结构的制备

5．1 仿荷叶表面制备思想与制备过程

5．2 实验结果分析

5．2．1 表面形貌分析

5．2．2 薄膜表面的润湿性分析

5．3 本章小结

第6章 铝基表面的简易双疏处理工艺探讨

6．1 化学湿法蚀刻制备Al基疏水薄膜

6．1．1 实验原理与实验过程

6．1．2 实验结果分析

6．2 热生长法制备Al基双琉薄膜

6．2．1 实验原理与实验过程

6．2．2 实验结果分析

6．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间完成的学术论文及成果

致谢