專利名稱：一種超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于納米材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一般把水的接觸角大于150°的固體表面，稱為超疏水表面。已經(jīng)證明一種簡(jiǎn)單而又有效的達(dá)到超疏水性的方法是在固體表面制備微納米結(jié)構(gòu)。許多植物葉表面的疏水性非常強(qiáng)，最典型的是荷葉表面，水滴與葉面之間的接觸角大于150°，并且水滴很容易滾落，這種超疏水性現(xiàn)象被稱為荷葉效應(yīng)。超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面在微納機(jī)電系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用需求。在微制造工藝過(guò)程中，濕法腐蝕時(shí)釋放粘附是一個(gè)難以解決的難題，通過(guò)引入超疏水表面對(duì)于解決該問(wèn)題有重要促進(jìn)。在許多微電子、微機(jī)電器件應(yīng)用過(guò)程中，表面污染會(huì)大大降低其使用性能， 超疏水表面能夠使表面具有自清潔性，可以大大改善使用性能。Ming-Fang Wang等在硅材料上通過(guò)電化學(xué)刻蝕制備了具有分形特征的超疏水娃微納復(fù)合結(jié)構(gòu)(Ming-Fang Wang, Nithin Raghunathan, and Babak Ziaie. A Nonlithographic Top-Down Electrochemical Approach for Creating Hierarchical (Micro-Nano)Superhydrophobic Silicon Surfaces. Langmuir,2007,23 2300-2303.)。Yonghao Xiu等通過(guò)KOH各向異性刻蝕和Au輔助HF/H202刻蝕制備了超疏水娃微納復(fù)合結(jié)構(gòu)(Yonghao Xiu, Lingbo Zhu, Dennis W. Hess, and C. P. Wong. Hierarchical Silicon Etched Structures or Controlled Hydrophobicity/Superhydrophobicity. Nano Letters, 2007, 7 (11) :3388-3393.)。上述方法成本低廉，但是獲得的硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)形貌不可控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中制備超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法形貌不可控的不足，提出一種超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)及其可控制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，硅表面有方柱陣列微米結(jié)構(gòu)， 各微米結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)a滿足10 μ m < a < 40 μ m，高度h滿足10 μ m < h < 40 μ m，相鄰兩個(gè)微米結(jié)構(gòu)橫向間距bl滿足10 μ m < 200 μ m,縱向間距1^2滿足10 μ m < b2 < 200 μ m ； 在各微米結(jié)構(gòu)表面有柱狀納米結(jié)構(gòu)。一種超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟步驟一制作掩模版；步驟二 光刻；步驟三電感耦合等離子體反應(yīng)刻蝕，刻蝕深度為h，得到符合要求的硅微米結(jié)構(gòu)；其采用刻蝕工藝的具體參數(shù)為=SF6，氣體流量ISOsccm/min，刻蝕時(shí)間14s ；C4F6，氣體流量85sCCm/min，鈍化時(shí)間7s ；刻蝕/鈍化循環(huán)的次數(shù)為H次；刻蝕結(jié)束后，以仏作為工作氣體，去除光刻膠；
步驟四化學(xué)催化腐蝕法在硅微米結(jié)構(gòu)表面制備納米結(jié)構(gòu)，得到超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括如下子步驟子步驟1 對(duì)步驟三ICP刻蝕后的硅微米結(jié)構(gòu)先用丙酮清洗，以去除殘留在上面的光刻膠，再用無(wú)水乙醇清洗，最后用去離子水清洗，然后用氮?dú)獯蹈?；子步驟2 配置5mol/L的氫氟酸，0. 015mol/L的硝酸銀溶液，然后將其等體積混合；子步驟3 在20°C條件下將子步驟1清洗后的硅微米結(jié)構(gòu)正面朝上放入子步驟2 配置的溶液中，沉積1分鐘；子步驟4 配置5mol/L的氫氟酸，0. 15mol/L的硝酸鐵溶液，然后將其等體積混合；子步驟5 將子步驟3沉積過(guò)的硅微米結(jié)構(gòu)正面朝上放入子步驟4配置的溶液中， 將溶液放入恒溫水浴中在35°C下處理30-90分鐘；子步驟6 取出硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，用去離子水多次漂清后用氮?dú)獯蹈?。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出了一種硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法。該微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面靜態(tài)接觸角基本在150°以上，其前進(jìn)角和后退角的差值基本在2°以內(nèi)，水滴易從其表面滾落， 表現(xiàn)出超疏水性。而沒(méi)有該微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的純硅片表面靜態(tài)接觸角約為70°，表現(xiàn)出親水性。也就是說(shuō)，硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)使親水表面變?yōu)槌杷砻妫瑸橛糜H水材料直接制備超疏水表面提供了一種新的思路。該制備方法成本相對(duì)低廉，可獲得圖形可控的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，并與微電子、微機(jī)電工藝兼容，為深入研究幾何形貌對(duì)潤(rùn)濕性能的影響提供了有力的手段。該方法無(wú)需表面修飾，只是通過(guò)表面結(jié)構(gòu)形貌改變就可獲得超疏水性，為超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面在微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。而且，本發(fā)明在大量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定了一組最優(yōu)工藝參數(shù)。步驟三中的工藝參數(shù)可保證硅基底上形成高深寬比、良好垂直度的硅微米結(jié)構(gòu)。步驟四中的參數(shù)可保證硅微米結(jié)構(gòu)和硅基底上形成均勻分布和高度可以控制的納米結(jié)構(gòu)。


圖1是本發(fā)明提出的硅微米結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明提出的硅微米結(jié)構(gòu)一個(gè)陣列單元的俯視圖。
圖3是圖2的A-A剖視圖。
圖4是實(shí)施例1制備的硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。
圖5是實(shí)施例1制備的硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)中單個(gè)結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片。
圖6是實(shí)施例1中制備的硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)上的水滴靜態(tài)接觸角示意圖。
圖7是實(shí)施例1中制備的硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)上的水滴靜態(tài)接觸角照片。
圖8是純硅片表面的水滴靜態(tài)接觸角示意圖。
圖9是純硅片表面的水滴靜態(tài)接觸角照片。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1
本實(shí)施例中的超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)為一種超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，硅表面有 100 X 100個(gè)的方柱陣列微米結(jié)構(gòu)，各微米結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)a = 20 μ m，高度h = 20 μ m，相鄰兩個(gè)微米結(jié)構(gòu)的橫向間距為bl = 40 μ m，縱向間距為= 80 μ m，在各微米結(jié)構(gòu)表面有柱狀納米結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中一種硅超疏水微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟步驟一制作掩模版通過(guò)掩模版設(shè)計(jì)使陣列微米結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為a = 20 μ m，bl =40ym, b2 = 80ym ；步驟二 光刻通過(guò)涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘等工藝進(jìn)行光刻，把掩模版圖形復(fù)制到硅片表面光刻膠上。步驟三電感耦合等離子體反應(yīng)刻蝕，刻蝕深度為h = 20 μ m，得到符合要求的硅微米結(jié)構(gòu)；其采用刻蝕工藝的具體參數(shù)為=SF6，氣體流量ISOsccm/min，刻蝕時(shí)間14s ；C4F6, 氣體流量85sCCm/min，鈍化時(shí)間7s ；刻蝕/鈍化循環(huán)的次數(shù)為14次；刻蝕結(jié)束后，以仏作為工作氣體，去除光刻膠。步驟四化學(xué)催化腐蝕法在硅微米結(jié)構(gòu)表面制備納米結(jié)構(gòu)，得到硅超疏水微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括如下子步驟子步驟1 對(duì)步驟三ICP刻蝕后的硅微米結(jié)構(gòu)先用丙酮清洗，以去除殘留在上面的光刻膠，再用無(wú)水乙醇清洗，最后用去離子水清洗，然后用氮?dú)獯蹈桑蛔硬襟E2 配置5mol/L的氫氟酸，0. 015mol/L的硝酸銀溶液，然后將其等體積混合；子步驟3 在20°C條件下將上述清洗后的硅微米結(jié)構(gòu)正面朝上放入該溶液中，沉積1分鐘；子步驟4 配置5mol/L的氫氟酸，0. 15mol/L的硝酸鐵溶液，然后將其等體積混合；子步驟5 將沉積過(guò)的硅微米結(jié)構(gòu)正面朝上放入上述溶液中，將溶液放入恒溫水浴中在35°C下處理30分鐘；子步驟6 取出硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，用去離子水多次漂清后用氮?dú)獯蹈伞?br> 權(quán)利要求
1.一種超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，一種超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，硅表面有方柱陣列微米結(jié)構(gòu)，各微米結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)a滿足10μπι< 40μπι，高度h滿足 10 μ m < h < 40 μ m，相鄰兩個(gè)微米結(jié)構(gòu)橫向間距bl滿足10 μ m < bl < 200 μ m，縱向間距 b2滿足10 μ m < < 200 μ m ；在各微米結(jié)構(gòu)表面有柱狀納米結(jié)構(gòu)。
2.一種如權(quán)利要求1所述超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一制作掩模版； 步驟二 光刻；步驟三電感耦合等離子體反應(yīng)刻蝕，刻蝕深度為h，得到符合要求的硅微米結(jié)構(gòu)； 步驟四化學(xué)催化腐蝕法在硅微米結(jié)構(gòu)表面制備納米結(jié)構(gòu)，得到超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括如下子步驟子步驟1 對(duì)步驟三ICP刻蝕后的硅微米結(jié)構(gòu)先用丙酮清洗，以去除殘留在上面的光刻膠，再用無(wú)水乙醇清洗，最后用去離子水清洗，然后用氮?dú)獯蹈?；子步驟2 配置5mol/L的氫氟酸，0. 015mol/L的硝酸銀溶液，然后將其等體積混合； 子步驟3 在20°C條件下將子步驟1清洗后的硅微米結(jié)構(gòu)正面朝上放入子步驟2配置的溶液中，沉積1分鐘；子步驟4 配置5mol/L的氫氟酸，0. 15mol/L的硝酸鐵溶液，然后將其等體積混合； 子步驟5 將子步驟3沉積過(guò)的硅微米結(jié)構(gòu)正面朝上放入子步驟4配置的溶液中，將溶液放入恒溫水浴中在35°C下處理30-90分鐘；子步驟6 取出硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，用去離子水多次漂清后用氮?dú)獯蹈伞?br> 3.—種如權(quán)利要求2所述的超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于，所述步驟三中，電感耦合等離子體反應(yīng)刻蝕采用的具體參數(shù)為=SF6，氣體流量ISOsccm/min，刻蝕時(shí)間Hs ；C4F6，氣體流量85sCCm/min，鈍化時(shí)間7s ；刻蝕/鈍化循環(huán)的次數(shù)為 -7 次。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于納米材料制備領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)是由硅表面方柱陣列微米結(jié)構(gòu)以及各微米結(jié)構(gòu)上柱狀納米結(jié)構(gòu)組成的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。該制備方法成本相對(duì)低廉，可以實(shí)現(xiàn)周期陣列硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)可控制備，并與微電子、微機(jī)電工藝兼容，為深入研究幾何形貌對(duì)潤(rùn)濕性能的影響提供了有力的手段；該制備方法無(wú)需表面修飾，只是通過(guò)表面結(jié)構(gòu)形貌改變就可獲得超疏水性，為超疏水硅微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面在微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)B81B7/04GK102167280SQ201110006319
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者何洋, 姜澄宇, 尹恒許, 張峰, 王圣坤, 田夢(mèng)君, 胡培軍, 苑偉政, 陳俊 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)