專利名稱：單晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe復(fù)合薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶硅片表面磷酸基硅烷一CdSe復(fù)合薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著高科技的進(jìn)步，機(jī)械制造工業(yè)正朝著微型化的方向發(fā)展，這就涉及了微型機(jī)械表面 的摩擦學(xué)問題。由于硅材料具有硬度高、成本低廉、表面粗糙度小等優(yōu)點，在微型機(jī)電系統(tǒng) 中的應(yīng)用日益受到重視。但是未經(jīng)表面處理的硅材料脆性較高，表面裂紋在低張應(yīng)力作用下 易發(fā)生剝層磨損和脆性斷裂，難以滿足使用要求，因此需要用表面改性技術(shù)來提高硅材料表 面微機(jī)械性能，以改善硅材料的微觀摩擦磨損性能。目前可以通過自組裝方法在單品硅基片 表面制備自組裝膜，來改善單晶硅基片表面的減摩抗磨性。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，公開號為CN1403494的中國發(fā)明專利申請公開了一種自組裝超薄聚合 物膜的制備方法，首先通過自由基共聚合合成膜材料，利用自組裝技術(shù)制備了具有各種表面 性質(zhì)的超薄聚合物膜。制備的聚合物超薄膜具有減摩、抗磨效果，可用于微型機(jī)電系統(tǒng)的潤 滑與防護(hù)。該方法是將摩爾比為0. 1 10%硅垸偶聯(lián)劑與單體以偶氮二異丁腈以引發(fā)劑共聚 合反應(yīng)，純化得到自組裝聚合物；在潔凈基底上自組裝成膜，并且在惰性氣體中于10(TC 20(TC進(jìn)行熱處理10 24小時。該方法制備的自組裝薄膜的工藝條件相對比較繁瑣，熱處理 的時間也較長，亦沒有涉及到CdSe對薄膜性能的改進(jìn)和研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種單晶硅片表面磷酸基硅烷一CdSe復(fù)合薄膜的制備方法。以克服現(xiàn)有的制
備方法采用自組裝薄膜，工藝條件繁瑣，熱處理時間長等弊端。本名發(fā)明工藝方法簡單，成
本低，對環(huán)境無污染，而且本發(fā)明中在單晶硅基片表面制備的CdSe復(fù)合薄膜可以將摩擦系數(shù)
從無薄膜時的0. 8降低到0. 08左右，具有十分明顯的減摩、抗摩作用。
這里提出一種新的自組裝復(fù)合膜制備方法，即制備CdSe復(fù)合薄膜。CdSe被視為準(zhǔn)一維
納米材料。現(xiàn)在已經(jīng)證實CdSe具有奇特的電學(xué)性能、超強(qiáng)的力學(xué)性能、很好的吸附性能，因
而在材料領(lǐng)域引起了極大重視。
但是，CdSe徑向的納米級尺、j鄰高的表面能導(dǎo)致其容易團(tuán)聚，分散性較差,降低了 CdSe 的有效長徑比。此外，CdSe在絕大部分溶劑中不溶，濕潤性能差，很難與基底形成有效粘結(jié)。
3為了提高CdSe的分散性并增加其與基底界面的結(jié)合力，必須通過對CdSe的表面改性及基底 表面組裝活性基團(tuán)等方法，來提高CdSe與基底表面之間的界面結(jié)合程度，獲得摩擦學(xué)性能良 好的復(fù)合膜。
本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的 一種單晶硅片表面磷酸基硅垸一CdSe復(fù)合薄膜的制備方 法，其特征在于采用表面經(jīng)過納米氧化鈰拋光的單晶硅片作為基底材料，在其表面采用自 組裝方法制備磷酸基硅烷一CdSe復(fù)合薄膜，具體步驟如下
A) 首先對單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理將單晶硅片浸泡在王水中，使用電爐加熱王水，在120 'C下加熱5 6個小時，在室溫中自然冷卻7 8小時，將單晶硅片取出，用去離子水反復(fù)沖 洗，放入干燥皿中干燥；
B) 將處理后的單晶硅片浸入配制好的氨基硅垸溶液中，靜置12小時，取出后分別用無 水甲醇、去離子水沖洗后，用氮氣吹干后置于含有三氯氧化磷和2,3,5—三甲基吡啶的氰化甲 烷溶液中反應(yīng)20分鐘，取出后用去離子水沖洗，得到表面組裝有磷酸基團(tuán)的薄膜基片；
C) 再將CdSe在室溫下按0. 05 0. 15呢/ml放入N， N-二甲基甲酰胺(DMF)分散劑，選取 超聲波功率為40W，超聲分散1 4小時，得到穩(wěn)定的懸浮液；
D) 然后將表面組裝有磷酸基團(tuán)的薄膜基片浸入經(jīng)步驟C)制備好的CdSe懸浮液中，在 30 90。C靜置2 24小時；
E) 取出用去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有改性CdSe復(fù)合薄 膜的單晶硅片。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅片表面磷酸基硅垸一CdSe復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在 于B)中所述的氨基硅烷溶液中氨基硅垸的體積百分比為0.5 2%，溶劑為無水甲醇。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅片表面磷酸基硅烷一CdSe復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在 于B)中所述的氰化甲烷溶液，組分體積百分比為三氯氧化磷15 25%， 2,3,5 —三甲基 吡啶15 25%，氰化甲烷50 70%。
在單晶硅片基片表面，氨基硅烷分子中含有可水解的活性基團(tuán)，能夠通過化學(xué)建Si — 0 與具有活性基團(tuán)Si—0H的基底材料相結(jié)合，在基底表面形成一層帶有氨基基團(tuán)的硅垸自組裝 薄膜；將表面組裝了氨基硅垸的基片置入含有三氯氧化磷和2， 3, 5 —三甲基吡啶的氰化甲烷溶 液中，靜置一段時間后，薄膜表面將組裝上磷酸基團(tuán)。再將其置入CdSe懸浮液后，基片表面 將沉積CdSe。
本發(fā)明工藝方法簡單，成本低，對環(huán)境無污染。在單晶硅基片表面制備的CdSe復(fù)合薄膜 可以將摩擦系數(shù)從無薄膜時的0.8降低到0.08左右，具有十分明顯的減摩作用。此外CdSe
4復(fù)合薄膜還具有良好的抗磨損性能，有望成為微型機(jī)械理想的邊界潤滑膜。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本實施例不能用于限制本發(fā)明，凡采用 本發(fā)明方法及其相似變化的，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明實施例均采用表面經(jīng)過納米氧化鈰拋光的單晶硅片作為基底材料，在其表面采用 自組裝方法制備磷酸基硅垸一CdSe復(fù)合薄膜。 實施例1:
先對單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，使用電爐加熱王水，在120"C下加 熱5 6個小時，在室溫中自然冷卻7 8小時，將單晶硅片取出，用去離子水反復(fù)沖洗，放 入干燥皿中干燥。將處理后的單晶硅片浸入配制好的氨基硅垸溶液中，靜置12小時，取出后 分別用無水甲醇、去離子水沖洗，用氮氣吹干后置于含有三氯氧化磷和2,3，5—三甲基吡啶的 氰化甲烷溶液中反應(yīng)20分鐘，取出后用大量去離子水沖洗，得到表面附有磷酸基團(tuán)的薄膜基 片。
在室溫下將CdSe按0. 05mg/ml放入N， N-二甲基甲酰胺(DMF)分散劑，選取超聲波功率為 40W，超聲分散1小時，得到穩(wěn)定的CdSe懸浮液。
將表面組裝有磷酸基團(tuán)硅垸薄膜的單晶硅片浸入制備好的CdSe懸浮液中，在3(TC下靜置 2小時，取出用大量去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有改性CdSe復(fù) 合薄膜的單晶硅片。
其中采用的氨基硅垸溶液中氨基硅烷的的體積百分比為0.5%，溶劑為無水甲醇；氰化 甲垸溶液的組分體積百分比為三氯氧化磷15%， 2，3，5—三甲基吡啶15%，氰化甲垸70 %。
采用SPM—9500原子力顯微鏡(AFM)、 JEM-2010掃描電子顯微鏡(SEM)和PHI — 5702型 X—光電子能譜儀(XPS)來表征得到的復(fù)合膜的表面形貌和化學(xué)成分。采用點接觸純滑動微 摩擦性能測量儀測量復(fù)合膜摩擦系數(shù)。
XPS測試圖表明在單晶硅片表面成功地組裝了氨基硅烷薄膜；將氨基硅垸薄膜置入到含 有三氯氧化磷和2, 3, 5 —三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反應(yīng)一段時伺后，通過XPS觀察到薄 膜表面有磷元素，說明薄膜表面被組裝上了磷酸基團(tuán)；SEM圖片則清晰地看到CdSe沉積在單 晶硅片的表面，形成了 CdSe復(fù)合薄膜。在點接觸純滑動微摩擦性能測量儀上分別測量干凈 單晶硅片和單晶硅片表面自組裝CdSe復(fù)合膜的摩擦系數(shù)。在單晶硅片表面制備的CdSe復(fù)合薄膜可以將摩擦系數(shù)從無膜時的0. 8降低到0. 12左右，具有十分明顯的減摩作用。 實施例2:
先對單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，使用電爐加熱王水，在12(TC下 加熱5 6個小時，在室溫中自然冷卻7 8小時，將單晶硅片取出，用去離子水反復(fù)沖洗， 放入干燥皿中干燥。將處理后的單晶硅片浸入配制好的氨基硅烷溶液中，靜置12小時，取 出后分別用無水甲醇、去離子水沖洗后，用氮氣吹干后置于含有三氯氧化磷和2，3,5—三甲 基吡啶的氰化甲烷溶液中反應(yīng)20分鐘，取出后用大量去離子水沖洗，得到表面附有磷酸基 團(tuán)的薄膜基片。
在室溫下將CdSe按0. lmg/ml放入N, N-二甲基甲酰胺(DMF)分散劑，超聲波分散(40W) 2小時,得到穩(wěn)定的CdSe懸浮液。
將表面組裝有磷酸基團(tuán)硅烷薄膜的單晶硅片浸入制備好的CdSe懸浮液中，在6CTC下靜 置12小時，取出用大量去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有改性CdSe 復(fù)合薄膜的單晶硅片。
本發(fā)明采用的氨基硅垸溶液中氨基硅垸的的體積百分比為1.5%，溶劑為無水甲醇。氰 化甲烷溶液的組分體積百分比為三氯氧化磷20%， 2，3，5_三甲基吡啶20%，氰化甲烷60 %。
采用實施例1中的表征手段對薄膜質(zhì)量進(jìn)行評價。
XPS測試圖表明在單晶硅片表面成功地組裝了氨基硅垸薄膜；將氨基硅垸薄膜置入到含 有三氯氧化磷和2， 3， 5 —三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反應(yīng)一段時間后，通過XPS觀察到薄 膜表面有磷元素，說明薄膜表面被組裝上了磷酸基團(tuán)；SEM圖片則清晰地看到CdSe沉積在單 晶硅片的表面，形成了CdSe復(fù)合薄膜；在單晶硅片表面制備的CdSe復(fù)合薄膜可以將摩擦系 數(shù)從無膜時的0. 8降低到0. 1左右，具有十分明顯的減摩作用。
實施例3:
先對單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，使用電爐加熱王水，在120'C下 加熱5 6個小時，在室溫中自然冷卻7 8小時，將單晶硅片取出，用去離子水反復(fù)沖洗， 放入干燥皿中干燥。將處理后的單晶硅片浸入配制好的氨基硅垸溶液中，靜置12小時，取 出后分別用無水甲醇、去離子水沖洗后，用氮氣吹干后置于含有三氯氧化磷和2，3,5 —三甲 基吡啶的氰化甲垸溶液中反應(yīng)20分鐘，取出后用大量去離子水沖洗，得到表面附有磷酸基 團(tuán)的薄膜基片。
在室溫下將CdSe浸按0. 15mg/ml放入N, N-二甲基甲酰胺(DMF)分散劑，超聲波分散(40W)4小時，得到穩(wěn)定的CdSe懸浮液。
將表面組裝有磷酸基團(tuán)硅垸薄膜的單晶硅片浸入制備好的CdSe懸浮液中，在9(TC下靜 置24小時，取出用大量去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有改性CdSe 復(fù)合薄膜的單晶硅片。
本發(fā)明采用的氨基硅烷溶液中氨基硅垸的的體積百分比為2%，溶劑為無水甲醇。氰化 甲烷溶液的組分體積百分比為三氯氧化磷25%， 2，3，5 —三甲基吡啶25%，氰化甲烷50 %。
XPS測試圖表明在單晶硅片表面成功地組裝了氨基硅烷薄膜；將氨基硅烷薄膜置入到含
有三氯氧化磷和2, 3， 5 —三甲基吡徒的氰化甲烷溶液中反應(yīng)一段時間后，通過XPS觀察到薄 膜表面有磷元素，說明薄膜表面被組裝上了磷酸基團(tuán)；SEM圖片則清晰地看到CdSe沉積在單 晶硅片的表面，形成了CdSe復(fù)合薄膜。在單晶硅片表面制備的CdSe復(fù)合薄膜可以將摩擦系 數(shù)從無膜時的0. 8降低到0. 08左右，具有十分明顯的減摩作用。
權(quán)利要求
1、一種單晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于采用表面經(jīng)過納米氧化鈰拋光的單晶硅片作為基底材料，在其表面采用自組裝方法制備磷酸基硅烷-CdSe復(fù)合薄膜，具體步驟如下A)首先對單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理將單晶硅片浸泡在王水中，使用電爐加熱王水，在120℃下加熱5～6個小時，在室溫中自然冷卻7～8小時，將單晶硅片取出，用去離子水反復(fù)沖洗，放入干燥皿中干燥；B)將處理后的單晶硅片浸入配制好的氨基硅烷溶液中，靜置12小時，取出后分別用無水甲醇、去離子水沖洗后，用氮氣吹干后置于含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反應(yīng)20分鐘，取出后用去離子水沖洗，得到表面組裝有磷酸基團(tuán)的薄膜基片；C)再將CdSe在室溫下按0.05～0.15mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺分散劑，選取超聲波功率為40W超聲分散1～4小時，得到穩(wěn)定的懸浮液；D)然后將表面組裝有磷酸基團(tuán)的薄膜基片浸入經(jīng)步驟C)制備好的CdSe懸浮液中，在30～90℃靜置2～24小時；E)取出用去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有改性CdSe復(fù)合薄膜的單晶硅片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅片表面磷酸基硅垸一CdSe復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于B)中所述的氨基硅垸溶液中氨基硅烷的體積百分比為0.5 2%，溶劑為無水甲醇。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅片表面磷酸基硅烷一CdSe復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于B)中所述的氰化甲烷溶液，組分體積百分比為三氯氧化磷15 25%， 2，3，5—三甲基吡啶15 25%，氰化甲烷50 70%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單晶硅片表面磷酸基硅烷-CdSe復(fù)合薄膜的制備方法，首先將單晶硅片浸泡在王水中，經(jīng)加熱、自然冷卻處理后取出，用去離子水反復(fù)沖洗后干燥，再浸入配制好的氨基硅烷溶液中，在基片表面組裝氨基硅烷薄膜，然后再置入含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中，反應(yīng)20分鐘，取出后用去離子水沖洗，得到表面組裝有磷酸基團(tuán)的薄膜基片；再將該基片置入CdSe懸浮液中，在30～90℃靜置2～24小時，取出用大量去離子水沖洗，用氮氣吹干，得到表面沉積有CdSe復(fù)合薄膜的單晶硅片。本發(fā)明工藝簡單，成本低，對環(huán)境無污染，制得的CdSe復(fù)合薄膜具有十分明顯的減摩作用，具有良好的抗磨損和抗粘著性能。
文檔編號B05D5/08GK101671849SQ20091019709
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者安雙利 申請人:上海第二工業(yè)大學(xué)