[发明专利]一种硅基微纳米二级结构超疏水表面的制备方法

摘要

本发明涉及一种利用湿法腐蚀和溶胶——凝胶法制备硅基微纳米二级结构超疏水表面的方法，用于滴状冷凝自集水领域。包含制备硅基超疏水层微米结构；制备硅基超疏水层微米结构；进行接触角测量等三个步骤，本发明采取湿法腐蚀和溶胶——凝胶法两种方法相结合得到微纳米二级结构超疏水层，本发明的具有结构新颖、稳定性好、超疏水性能优异的优点。

主权项

1.一种硅基微纳米二级结构超疏水表面制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备硅基超疏水层微米结构，采用湿法腐蚀法，其具体步骤如下：

①热氧化，在硅片的正面沉积SiO2，作为KOH溶液湿法腐蚀硅的掩膜材料；

②光刻，具体包含以下步骤：

预处理：为了增加光刻胶在硅片上的粘附力，首先对硅片进行预处理，让硅片暴露在六甲基二硅胺烷HMDS蒸汽中，增加光刻胶与硅片的粘附强度；

均胶：将滴了光刻胶的硅片真空吸附在离心式均胶机上高速旋转；

前烘：加热使光刻胶层出不去得到固化，同时蒸发部分光刻胶溶剂；

对准和曝光：利用MA6A光刻设备，将掩膜版和硅片对准标记进行对准，进行曝光，对光刻胶曝光部分区域发生结构改变，从而使掩膜版的掩膜图形转移到硅片上；

显影：将曝光后的硅片置于显影液TMAH中，溶解掉光照正胶部分；

清洗：将显影好的硅片，置于去离子水槽中冲洗；

后烘：加热硅片，使硅片上的光刻胶中的有机溶剂进一步蒸发，从而让光刻胶在硅片上的粘附更加稳定牢靠；

镜检：将后烘之后的硅片置于显微镜下仔细查验，看光刻是否到位，线条是否光滑齐整，是否有杂质区域，直到得到理想结果；

③在以光刻胶为掩膜的情况下，刻蚀二氧化硅，得到掩膜图形；

④去胶利用硫酸：双氧水＝3:1的溶液去除剩余光刻胶，；清洗之后，进行甩干，目检之后进行镜检，在显微镜下自习查看表面光刻胶是否已经去除干净；

⑤KOH腐蚀，将处理好的硅片放入40％浓度的KOH溶液槽中进行腐蚀，溶液槽的温度恒温50度；

步骤2，制备硅基超疏水层纳米结构，具体包括：

(1)洗净仪器，烧杯，量筒等；

(2)用量筒取165ml的无水乙醇加入烧杯，洗净量筒，取15ml的氨水加入乙醇中，氨水浓度为28％；将装有混合溶液的烧杯置于加热磁力搅拌器中搅拌均匀，加热温度设置为60℃，搅拌时间300s；

(3)用洗净的量筒取18ml正硅酸乙酯加入混合溶液中，保温加热温度为60℃加热，反应时间为17h可以得到粒径为100nm的均匀SiO₂颗粒溶胶；

(4)用量筒取165ml的无水乙醇加入烧杯，洗净量筒，取15ml的氨水加入乙醇中，氨水浓度为28％；将装有混合溶液的烧杯置于加热磁力搅拌器中搅拌均匀，加热温度设置为27℃，搅拌时间300s；

(5)用洗净的量筒取18ml正硅酸乙酯加入混合溶液中，保持温度为27℃加热，反应时间为17h可以得到粒径为300nm的均匀SiO₂颗粒溶胶；

(7)洗净量筒，烧杯，玻璃板等；

(8)用量筒取无水乙醇40ml，KH‑550溶液1ml和FAS溶液0.4ml，于烧杯中混合，搅拌均匀；

(9)滴定HCL溶液，调节溶液PH值至3‑5；

(10)搅拌30min待用；

(11)将上述制得的165ml粒径300nmSiO₂溶胶在水温35℃条件下放入旋转蒸发器中进行旋转蒸发,旋转蒸发至40ml，用去离子水离心洗涤两次之后再用乙醇离心两次，离心得到SiO₂固体放入真空干燥箱中在120℃的温度下烘干5h，得到彻底烘干的SiO₂干粉；

(12)称取0.4g的上述过程所制备的SiO₂干粉放入在35ml乙醇中，进行超声分散，把分散好的SiO₂溶胶和含氟溶胶按7:3比例混合超声，时间为30min,得到超疏水图层，将所述步骤1制得的带有微米结构的硅片浸入把载玻片浸入上述溶胶中，硅片与水平方向夹角保持60°，静置10分钟后缓慢提出，自然风干之后，再放入真空干燥箱烘干2小时，烘干温度为120℃，得到最终单层纳米SiO₂涂层；

(13)将上述制得的300nm和100nm SiO2溶胶分别在旋转蒸发仪上进行旋蒸至40ml，在300nm SiO2溶胶中加入2ml硅烷偶联剂KH‑550进行改性，100nm的SiO2溶胶中加入2ml硅烷偶联剂KH‑560进行改性，室温30℃下改性30h；将两种溶液混合搅拌反应34h；量取5ml改性后的纳米复合溶胶与2ml含氟溶胶混合超声30min；在载玻片上涂膜，120℃下烘干1h得到复合纳米SiO2超疏水抗结冰涂层复合粒子形成机理可以解释硅烷偶联剂KH‑550和KH‑560水解后产生硅醇键，与SiO2粒子表面的‑OH缩聚得到O‑Si‑O键，从而得到改性的SiO2粒子，经KH‑550改性SiO2粒子表面接上了氨基，而KH‑560改性SiO2粒子表面接上了环氧基，再将两种粒子混合，使得氨基与环氧基反应得到复合纳米SiO2粒子；

步骤3，进行接触角测量，具体方法如下：表面形貌用场发射扫描电镜表征SEM，SEM的型号是S4700，Hitachi,Japan，接触角用德国Dataphysics OCA35，Dataphysics OCA35附带控温附件，能够精确的使基底温度维持在‑30℃至160℃的范围，接触角测量的水滴体积为4μL，样品的接触角测量5次取平均值，用接触角测量仪进行测量；5次测量过程中所选取的测量点尽量均匀分在样品的各个面，以平均值作为该尺寸下超疏水层的表观接触角，并观察测量结果，确定是否每次测量的结果都大于150度，从而确定结构是否满足超疏水的要求。