[发明专利]一种在单晶硅片上制备稀土修饰石墨烯陶瓷复合薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷复合薄膜的制备领域，特别涉及一种在单晶硅片表面制备稀土元素修饰石墨烯掺杂的陶瓷薄膜的方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）是指集微型结构的传感器、微型执行器和信号处理与控制电路于一体，形成同时具有信息获取、处理和执行功能的智能微型器件或微型系统。整个系统的加工尺寸为微米数量级，制造材料多选用单晶或多晶硅。但是未经过表面处理的硅材料脆性较高，表面裂纹在低张应力作用下容易发生剥层磨损和脆性断裂，因此需要表面改性技术以提高硅材料表面机械性能，改善硅材料的微观摩擦磨损性能。近年来，有关复合陶瓷膜的摩擦学研究已经成为摩擦学领域的前沿课题之一，陶瓷薄膜材料具有硬度高和化学稳定性好等特点，可望在苛刻环境下作为摩擦学部件而使用。石墨烯是单层碳原子紧密排列而形成的一种碳质新材料，具有单层二维蜂窝状晶格结构。由于其特殊的微观结构，石墨烯表现出许多独特的物理性质。其杨氏模量高达1TPa，断裂强度高达130GPa，是目前所知的强度最高的物质。其热传导系数约为2000-5000W/m·K，是热的优良导体。因此，石墨烯具有极好的力学、热导性和电学性能，在微电子、能源、新材料和生物医药等领域有重大应用前景。石墨烯具有超强的耐磨性和自润滑性,这对于微系统摩擦学的研究来说具有重要的意义。

申请号为的中国专利公开了一种含有稀土和二氧化硅的二氧化钛纳米薄膜及其制法。采用此种配方制得含有稀土元素和二氧化硅的二氧化钛薄膜，可以提高二氧化钛薄膜的亲水性和光催化性，比较适合用于催化剂，不适合用于减摩的用途。

申请号为200710037043.7的中国专利公开了一种用自组装制备碳纳米管复合薄膜方法，此方法制备的薄膜具有良好的减摩性能，但是对于制备的复合薄膜是软膜，承载能力不强。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在单晶硅片上制备稀土修饰石墨烯陶瓷复合薄膜的方法，该方法具有工艺简单，低成本、高效率的特点，能够在羟基化的单晶硅片上制得一层或多层复合陶瓷薄膜，该复合陶瓷薄膜有着均匀、致密的特点，具有很好的减摩和抗磨损的特点。

本发明的一种在单晶硅片上制备稀土修饰石墨烯陶瓷复合薄膜的方法，包括：

（1）将单晶硅片浸入王水中，加热5-6小时，在室温下自然冷却，用去离子水反复冲洗，取出后浸入Pirahan溶液中，于室温下静置，用去离子水超声清洗后干燥，处理出来的单晶硅片羟基化非常完全，而且没有被腐蚀；

（2）将钛酸盐溶于乙醇中，加入二乙醇胺，室温下混合均匀；在所得的溶液中加入乙醇水溶液，在15～25℃水解1～3h，加入稀土化合物，搅拌，加入N,N'-二甲基甲酰胺，得到含有稀土的溶胶；将石墨烯置于含有稀土的溶胶中处理2-8h；

其中，乙醇与钛酸盐的摩尔比为1～4：1，二乙醇胺与钛酸盐的摩尔比为0.2～2：1，乙醇水溶液中的水与钛酸盐的摩尔比为1～2：1，稀土化合物与钛酸盐的摩尔比是1～3：10，N,N'-二甲基甲酰胺为溶胶总体积的1～2％；

（3）将步骤（1）所得的单晶硅片浸入含有稀土修饰过的石墨烯的溶胶，静置，将单晶硅片向上提拉出溶胶，干燥，烘干；

（4）将步骤（2）所得的单晶硅片在80～100℃保温30～60min，升温至500～650℃，保温2～3h后，自然冷却至室温，在单晶硅片上形成掺杂稀土元素修饰石墨烯的陶瓷复合薄膜。

所述步骤（1）中的静置时间为1～2h；干燥温度为100～120℃，干燥时间为0.5～1h。

所述步骤（1）中的Pirahan溶液由体积比为70:30的98%的H₂SO₄溶液和30%的H₂O₂溶液组成，含量为质量百分含量。

所述步骤（2）中的乙醇水溶液由体积比为1：8.5～9.5的水和无水乙醇组成。

所述步骤（2）中的搅拌时间为1～2h。

所述步骤（2）中的石墨烯在含有稀土的溶胶中的浓度为0.5～3mg/ml。

所述步骤（2）中的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、硝酸镧或硝酸铈。

所述步骤（2）重复操作，以在单晶硅片上形成多层掺杂稀土元素修饰石墨烯的陶瓷复合薄膜。

所述步骤（3）中的静置时间为5～10min；提拉速率为3～5cm/min；干燥温度为室温，干燥时间为30～60分钟；烘干温度为100℃～200℃，烘干时间为2～3h。

所述步骤（4）中的升温速率为1～3℃/min。