[發(fā)明專利]一種透明超疏水納米陣列及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610207076.0
• 申請(qǐng)日: 2016-04-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105776317B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張友法;張靜;安力佳;余新泉;陳鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): C01G9/02
• 分類號(hào): C01G9/02;B82Y40/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32249
• 代理人: 馮慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種透明超疏水納米陣列制備方法。

背景技術(shù)

ZnO作為Ⅱ-Ⅵ族具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的直接寬帶隙(3.37eV，300K)化合物半導(dǎo)體材料，因其優(yōu)異的理化性能，如極高的彈性模量、極低的熱膨脹系數(shù)、高的熱穩(wěn)定性、大的激子束縛能及負(fù)的電子親合能等，在傳感器、UV發(fā)射、光電轉(zhuǎn)換、超疏水界面、光催化和發(fā)光二極管等諸多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用，近年來(lái)，受到了世界范圍的高度關(guān)注。目前，在已經(jīng)制備成功的眾多基于ZnO的微結(jié)構(gòu)材料中，一維納米結(jié)構(gòu)陣列材料如ZnO納米線陣列、納米棒陣列、納米管陣列、納米針陣列、納米錐陣列等，因具有非遷移性、高透明性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力、光催化、親水親油性、殺菌等特殊性質(zhì)，而倍受研究者的青睞。

迄今為止，ZnO一維納米結(jié)構(gòu)材料的制備方法主要有：模板輔助生長(zhǎng)法、金屬有機(jī)氣相外延法(MOVPE)、脈沖激光沉積法(PLD)、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、電化學(xué)氣相沉積法和濕化學(xué)法等。其中，模板輔助生長(zhǎng)法、MOVPE、PLD、CVD等方法，需要昂貴的儀器設(shè)備和苛刻的工藝條件，難以進(jìn)行規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)；濕化學(xué)法所需反應(yīng)溫度較低(與氣相法相比)、操作簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

濕化學(xué)法一般包括兩個(gè)步驟，首先在基底上制備氧化鋅晶種層，然后將帶有晶種層的基底倒扣放入盛有生長(zhǎng)液中的密閉容器中保溫一段時(shí)間，該制備過(guò)程的關(guān)鍵就是晶種層制備和生長(zhǎng)液反應(yīng)，其中晶種層制備目前較為常用的方法分別是勻膠法和磁控濺射法，上述兩種制備方法在晶種層制備過(guò)程中均需要200～300℃以上反應(yīng)溫度。如申請(qǐng)?zhí)枮?00710119511.5的中國(guó)專利公開(kāi)了“一種大面積納米氧化鋅定向陣列的制備方法”，該方法利用熱蒸鍍和磁控濺射的方法經(jīng)300～600℃，10～60分鐘燒結(jié)，在基底上制備一層氧化鋅晶種層，然后利用水熱法在50～200℃合成納米氧化鋅陣列；申請(qǐng)?zhí)枮?01210536195.2的中國(guó)專利公開(kāi)了一種“生長(zhǎng)氧化鋅納米陣列的制備方法”，該方法利用磁控濺射的方法，經(jīng)300～600℃，1～10小時(shí)退火在基底上制備一層氧化鋅晶種層，然后在溶液中60～90℃，10分鐘生長(zhǎng)出氧化鋅納米陣列。雖然，制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，但是無(wú)法滿足目前大面積制備氧化鋅納米陣列的需求，特別是針對(duì)形狀復(fù)雜的基底。

為適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，通過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化、修復(fù)和完善，許多動(dòng)植物表面形成了超浸潤(rùn)性，對(duì)水滴運(yùn)動(dòng)與脫附可以實(shí)現(xiàn)方向性操控，以便得以生存。固體表面超疏水性(接觸角>150°，滾動(dòng)角<10°)是十分常見(jiàn)但又非常特殊的一類超浸潤(rùn)現(xiàn)象，影響著自然界中多種動(dòng)植物的生命活動(dòng)，如超疏水自清潔的荷葉、超疏水高負(fù)載的水黽腿、超疏水防起霧的蚊子眼等。研究表明，這些生物體表面每平方毫米數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的多尺度有機(jī)微納結(jié)構(gòu)的規(guī)則性幾何排列，被認(rèn)為對(duì)超疏水性的形成起到了關(guān)鍵作用。以此為啟發(fā)，通過(guò)在材料表面仿生構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行低表面能材料改性，或直接在低表面能材料表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)，即可獲得超疏水性。這種表面具有與荷葉等相似的自潔、抗污等特性，同時(shí)也被發(fā)現(xiàn)可可延緩露和霜的形核，并抑制生長(zhǎng)，即具有抗露和防霜特性。

建筑玻璃外墻、汽車擋風(fēng)玻璃、太陽(yáng)能電池面板等表面易污染，結(jié)露或結(jié)霜，影響了基材的透明性和使用性能。目前，雖然已有諸多辦法能夠制備出透明超疏水表面，例如溶膠-凝膠法、涂料噴涂法、光刻法、納米壓印法等，但尚未有研究報(bào)道這種表面的結(jié)露或結(jié)霜特性如何，這也就限制了該技術(shù)在上述透明基材表面的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，超疏水表面普通水滴只潤(rùn)濕粗糙結(jié)構(gòu)頂部(傳熱效率低)，界面大部分為空氣(熱阻大)，呈Cassie復(fù)合態(tài)接觸；但結(jié)露或結(jié)霜條件下，小尺度(～10μm直徑)液滴和霜晶易在尺寸相對(duì)較大的微米結(jié)構(gòu)間隙形核、生長(zhǎng)，使熱力學(xué)不穩(wěn)定的Cassie態(tài)轉(zhuǎn)變成能量更低的Wenzel潤(rùn)濕態(tài)，顯著增加仿生超疏水表面的粘附性，露和霜難以脫附。因此，提高Cassie態(tài)熱力學(xué)穩(wěn)定性，使超疏水表面小尺度液滴易于脫附，對(duì)抗露、防霜特性的發(fā)揮至關(guān)重要。