[发明专利]一种双层复合自组装润滑膜的制备方法

说明书

一种双层复合自组装润滑膜的制备方法，是一种由1,2‑双(三乙氧基硅基)乙烷和低表面能硅烷偶联剂两种成分构建的新型双层自组装膜的制备方法。方法包括：将单晶硅片进行切割、清洗和氧化处理；处理后的硅片浸入1,2‑双(三乙氧基硅基)乙烷水解液中制备第一层膜；所得薄膜经过清洗、干燥后，再浸入低表面能硅烷偶联剂溶液中，利用第一层膜表面的活性基团进行第二层膜的沉积。本发明的制备方法中涉及到的仪器设备简单，过程易操作，且所得双层膜具有稳定、有序的结构。与低表面能硅烷偶联剂的单层膜相比，双层膜既可保持低摩擦系数，又可有效提高其抗粘着性和耐磨性。该双层膜有望成为解决微机电系统中器件表面润滑和保护问题的有效手段。

技术领域

本发明涉及一种固体润滑材料的制备方法，尤其是一种在单晶硅表面制备1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷/低表面能硅烷偶联剂双层复合自组装润滑膜的制备方法。

背景技术

硅是当今微电子领域中最重要的基础材料。在近几十年里兴起的微电子机械系统(MEMS)中，大部分构件都是在硅的表面成型。硅材料具有硬度高、成本低廉、表面粗糙度小，以及可实现集成制造和器件微小型化等特点。然而，未经表面处理的硅材料脆性较高，表面裂纹在较低张应力作用下能迅速扩展，易发生剥层磨损和脆性断裂，难以满足使用要求。

自组装单分子膜(Self-assembled monlayers,简称SAMs)是目前提高硅材料表面的微机械性能，并改善其微观摩擦磨损性能的有效手段之一。它是近年来发展起来的一种新型的有机超薄膜，具有制备方法简单、与基底结合强度高、热稳定性好、成膜不受样品几何形状的限制等优点。

尽管自组装单分子膜可以有效降低硅表面的摩擦系数，但是目前制备的大多数有机单层膜还存在承载能力低、耐磨性差的缺点，在反复滑动的条件下不能保持长久。当一些分子由于机械摩擦从表面除去后，薄膜就会失效，这势必会极大地限制其在MEMS领域中的实际应用。因此，如何在保持自组装单层膜优良的润滑性能的同时，来有效提高其承载能力和耐磨性，就成为目前亟待解决的问题。

如果自组装单层膜表面含有活性基团，或者通过化学方法对单层自组装膜表面进行活化，就可以把一些具有低表面能的硅烷分子通过自组装技术继续在单层膜表面进行沉积，从而获得双层或多层自组装膜。双层和多层膜既能够保持自组装单层膜优良的润滑性能，同时又能有效提高其承载能力和耐磨性，因而有望表现出比单层膜更优异的摩擦磨损性能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种在单晶硅表面制备1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷/低表面能硅烷偶联剂双层复合自组装润滑膜的制备方法，以期解决MEMS器件表面的润滑和保护问题。

技术方案：本发明的双层自组装润滑膜的制备方法，以1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷和低表面能硅烷偶联剂为原料，通过常规的自组装技术制成具有稳定、均匀且有序的微观结构的双层膜表面；制备方法包括如下步骤：

(1)将单晶硅片切割成规则尺寸后，依次用有机溶剂和水超声洗涤；

(2)在温度90℃下采用由体积比为7：3的98％浓H₂SO₄和30％H₂O₂组成的Piranha溶液，对单晶硅表面进行氧化处理30min，使其表面羟基化，最后用去离子水充分清洗并小心吹干；

(3)将1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷在甲醇/水混合溶剂中充分水解；

(4)将处理后的单晶硅浸入1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷的水解液中，利用分子自组装技术制备第一层膜；

(5)沉积了第一层膜的单晶硅片经过充分洗涤、干燥后，再浸入到低表面能硅烷偶联剂的稀溶液中进行原位水解、自组装，从而获得具有双层结构的自组装润滑膜。

所述的1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷水解液中甲醇/水混合溶剂的体积比为9/1～30/1。