[發明專利]一種超疏水性硅襯底制造方法

有效

• 申請號: 201310096168.2
• 申請日: 2013-03-25
• 公開（公告）號: CN103172017B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 吳文剛;王詣斐;楊增飛;錢闖
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司11245
• 代理人: 徐寧,關暢

技術領域

本發明涉及一種超疏水性硅襯底制造方法，特別是關于一種利用納米顆粒蒸發誘導自組裝現象，制備出微米納米復合分級結構的超疏水性硅襯底制造方法。

背景技術

超疏水是最受關注的一種浸潤現象。浸潤是指液體在固體表面能鋪展，接觸面有擴大的趨勢。液體在固體上的展布會形成固、液、氣三相相交。在交界的地方，自固—液界面經液體內部到氣—液界面之間的夾角，叫做接觸角。將固體襯底傾斜一定的角度后液體可能在固體表面開始滾動或滑動，能使液體進行滾動或滑動的最小傾角為滾動角。所謂超疏水性是指靜態接觸角大于150°，同時滾動角小于5°。

通過對自然界中超疏水硅襯底表面的顯微觀察，人們已經意識到，導致超疏水性質的原因有兩點：1、表面應該是本征疏水的化學材料；2、應該具有微米納米復合分級結構。制備人工的超疏水性硅襯底，就應該使得最終得到的硅襯底表面同時滿足這兩個條件。按照這樣的設計標準，出現了兩種不同的設計思路。其一，利用本征低表面能的疏水材料。將這類材料加工出微米納米分級結構；其二，首先加工出微米納米分級結構，再對該結構進行本征疏水材料的敷涂或者化學修飾。兩種設計思路殊途同歸，而基于這兩種設計思路，發展出了若干人工超疏水性硅襯底的制造方法，如機械拉伸法、光刻刻蝕法、模板法、溶膠-凝膠法、電紡法等。

上述的各種方法雖然能夠制備出疏水程度非常高的硅襯底表面，但是大部分的工藝方法都需要非常復雜的加工設備，同時原材料也十分特殊，這對于超疏水表面的大規模工業化應用產生了限制。更重要的是，上述大部分加工方法制備出的硅襯底表面，其微觀形貌都較為雜亂無章。這雖然能夠提高襯底表面的粗糙程度，但是并不利于對該種襯底表面進行浸潤性的理論分析。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是利用納米顆粒蒸發誘導自組裝現象，提出了一種完全仿照荷葉結構的微米納米復合分級結構的超疏水性硅襯底制造方法。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種超疏水性硅襯底制造方法，其包括以下步驟：1）通過傳統的微電子工藝對硅襯底進行光刻刻蝕，加工出微米級別的硅柱陣列；2）對經步驟1）加工后的硅襯底，采用氧等離子刻蝕方法進行處理，一方面去除殘余的掩模有機物，另一方面對硅表面進行親水化處理；3）將制備好的聚苯乙烯納米顆粒懸濁液倒入一容器中，將處理過的硅襯底，硅柱面朝上浸泡在所述容器中，此時液面高度要沒過帶有硅柱的硅襯底；4）將容器放置在室溫條件下自然蒸發，使聚苯乙烯納米顆粒在液體表面張力的作用下固定在硅柱和硅襯底表面；5）采用氧等離子刻蝕方法，刻蝕經上述步驟得到的硅柱和硅襯底表面的聚苯乙烯納米顆粒，致使聚苯乙烯納米顆粒的直徑減小至預定值；6）采用化學氣相淀積方法，在硅襯底和硅柱表面淀積一層本征弱疏水的聚對二甲苯薄膜，即得到超疏水性襯底。

所述步驟3）中，聚苯乙烯納米顆粒懸濁液是由聚苯乙烯納米顆粒原液加入去離子水稀釋得到，懸濁液的濃度為每毫升1×10¹²～8×10¹²個。

所述步驟4）中，將容器放置在一蒸發臺中，并通入氮氣加速蒸發。

所述步驟5）中，聚苯乙烯納米顆粒直徑的預定值為400～500nm。

所述步驟6）中，聚對二甲苯薄膜的厚度為50nm～150nm。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明通過微米納米加工工藝制備出的硅襯底結構完全仿照了荷葉表面的微結構。這種微結構是一種微米納米雙層分級復合結構，其排列緊密有序，且具有良好的周期性，能夠進行超疏水特性的理論分析及模擬，從而優化最終的設計。2、本發明采用的微米納米加工工藝為傳統的微電子加工工藝，所用工藝簡單。3、本發明采用硅、聚苯乙烯納米顆粒、聚對二甲苯等普遍原材料，成本價格低廉。本發明可以廣泛用于紡織服裝、交通運輸、液體輸運、建筑、商品包裝等領域中，提高防塵除垢、防霧除水汽、防電流串通、防腐蝕、防霜、防粘附等功能。

附圖說明

圖1是本發明微米級別的硅柱陣列示意圖

圖2是本發明蒸發自組裝過程示意圖

圖3是本發明半月形液膜將納米顆粒壓在硅柱側壁上示意圖

圖4是本發明納米顆粒均勻密排固定在硅柱上的示意圖

圖5是本發明附著納米顆粒的硅柱和硅襯底的電子顯微鏡效果圖

圖6是本發明氧等離子刻蝕納米顆粒小球后的示意圖

圖7是本發明氧等離子刻蝕納米顆粒小球后的電子顯微鏡效果圖

圖8是本發明化學氣相淀積聚對二甲苯后的示意圖