[发明专利]硅基表面羧基化氧化石墨烯自组装复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及羧基化氧化石墨烯复合薄膜的制备方法，具体地，涉及一种硅基表面羧基化氧化石墨烯自组装复合薄膜的制备方法。

背景技术

微机械系统(MEMS)系统是结合了微电子技术和微加工技术为一体的一门前沿技术，该系统可以将机械构件、电控系统及光学系统等集成在一起，从而获得性能优良的微小机械系统。由于MEMS系统构件之间的间隙尺寸为纳米尺度甚至为零间隙，在相对运动过程中会产生尺寸效应的影响，构件之间的摩擦、粘着等问题严重影响了MEMS的稳定性和产品寿命。MEMS中构件常用材料为单晶硅、多晶硅、氮化物等脆性材料，因此其失效的主要原因为接触表面之间易产生粘附力。与之相适应，有关硅基材料在MEMS系统中摩擦磨损的研究已经成为纳米摩擦学领域的重要分支。

众多学者就如何实现具有超低摩擦的MEMS进行了广泛的研究，提出了许多解决方案，最主要的方法是通过表面改性在基体表面覆盖一层超薄润滑膜，如在硅基表面上通过物理方法或化学方法覆盖有机薄膜、单层金刚石薄膜、碳化硅薄膜等来减小摩擦磨损。其中有关有机分子润滑薄膜主要包括LB膜和SAM膜，微观摩擦学研究表明两者都具有较好的润滑效果。相比较LB膜，SAM薄膜还具有更好的界面稳定性及承载能力，抗磨损性能较好及工艺相对简单等优点。因此，SAM薄膜的研究在MEMS系统中具有明显的优势。

石墨烯材料为二维纳米材料，由于其具有优异的电学、力学、光学、热学和机械特性，在机械、电子、信息、能源、材料和生物医药等领域备受关注。GO材料为层状纳米材料，其尺寸复合MEMS系统构件之间的尺度要求，有望成为MEMS构件表面减摩抗磨的理想材料。目前有关石墨烯在硅基表面自组装薄膜改善硅基摩擦磨损性能的研究和应用较少，其原因之一在于石墨烯片层表面没有活性的功能团，难以将其应用在硅基表面。由于氧化石墨烯表面含有丰富的羟基、羧基和环氧基团，给薄膜的制备提供了机会。

通过文献检索发现，公开号为CN102677052A公开了石墨烯基自组装多层纳米润滑薄膜的制备方法，该方法利用石墨稀表面的羧基和3-氨基丙基三乙氧基硅烷表面的氨基进行了吸附化学反应，然后利用十八烷基三氯硅烷屏蔽了表面的活性基团，该方法有效地提高了硅基表面的摩擦磨损性能。但是该方法中利用氧化石墨烯的羧基功能团进行吸附反应，没有考虑到羧基在石墨烯表面的含量。有研究表明羧基功能团仅在石墨烯片边缘存在，相对含氧功能团的含量较少，这会导致石墨烯与基体表面的氨基界面结合力不强，影响了石墨稀在摩擦过程中性能的发挥。迄今为止，还未发现有将氧化石墨烯先进行羧基化处理，然后制备成自组装薄膜来提高硅基表面摩擦磨损性能的报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种硅基表面羧基化氧化石墨烯自组装复合薄膜的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明提供一种硅基表面羧基化氧化石墨烯自组装复合薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，将处理后的硅片清洗，烘干后，加入Piranha溶液中浸泡；

步骤二，取出Piranha溶液中的硅片，清洗，烘干，加入硅烷溶液中进行自组装反应，得产物A；

步骤三，取出产物A，清洗，保温，得硅基表面带有氨基硅烷薄膜硅片；

步骤四，将步骤三的产物放入氧化石墨烯溶液中，进行反应，得产物B；

步骤五，取出产物B，清洗，烘干，保温，即得最终产物硅基表面羧基化氧化石墨烯自组装复合薄膜。

优选的，步骤一中，所述硅片为单晶硅、多晶硅；所述硅片为抛光处理所得。

优选的，所述Piranha溶液为浓H₂SO₄溶液和H₂SO₄溶液配置而成，其中浓H₂SO₄溶液与H₂SO₄溶液体积比为(30～70)∶(10～30)。

优选的，步骤一中，所述清洗为依次采用无水乙醇、去离子水清洗，所述烘干为高纯氮气吹干，所述浸泡时间为30～60min。

优选的，步骤二中，所述的硅烷溶液为3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶液，所述硅烷溶液的浓度为0.4～0.6mmol/L。

优选的，步骤三中，所述保温条件为：放入烘箱中80～100℃保温1～2小时。

优选的，步骤四中，所述氧化石墨烯溶液由以下步骤制得：

称取一定量的氧化石墨烯粉末加入NaOH溶液中，超声处理后，加入氯乙酸溶液中，超声处理，离心水洗，即可。