一種超疏液薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超疏液薄膜及其制備方法，屬于半導(dǎo)體加工工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近三十年來(lái)，通過(guò)模擬荷葉、水蜘蛛等自然界的微納米結(jié)構(gòu)，人們利用微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanic System, MEMS)技術(shù)、納米技術(shù)等成功研制了許多接觸角超過(guò)150度且易于滑動(dòng)的超疏水表面材料。但是表面張力低的液體，例如油類(lèi)、有機(jī)溶劑、加入表面活性劑的水等，表面張力通常只有水的1/3，這些液體在超疏水表面一般會(huì)迅速浸潤(rùn)并鋪展開(kāi)，而且被浸潤(rùn)后的超疏水表面也將失去超疏水效果。而對(duì)任何液體都具有150度以上接觸角、且接觸角滯后很小的超疏液表面不僅具備可靠的超疏水特性，而且對(duì)于油類(lèi)、有機(jī)溶劑、加入表面活性劑的水等都具有可靠的超疏特性。
[0003]超疏液表面是由于表面存在的倒懸微納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向上的Laplace壓力支撐液滴重力而使得液滴懸浮的，但目前報(bào)道的超疏液表面，絕大部分是利用納米技術(shù)研制而成的不規(guī)則、無(wú)法精確控制微納米特征的結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)存在性能重復(fù)性差、均勻性差、疏油效果有限、難以實(shí)現(xiàn)大面積應(yīng)用等缺陷。現(xiàn)有技術(shù)中，可在硅基板使用干法刻蝕整齊排列的倒懸結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)疏水疏油的效果。但是，干法刻蝕受限于極少數(shù)材料，如硅、二氧化硅等，且加工成本高昂，使其很難形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。吳天準(zhǔn)等人提出了一種軟復(fù)制工藝，可以通過(guò)兩次轉(zhuǎn)印將模板表面的倒懸微納結(jié)構(gòu)復(fù)制到各種柔性可固化材料上，從而打破了超疏液表面制備的材料和工藝兩大瓶頸。然而，通過(guò)這種軟復(fù)制工藝制備獲得的超疏液表面仍然僅限于柔性可固化材料，使得超疏液表面難以應(yīng)用到現(xiàn)有物品上，而且由于表面必須是平面才能轉(zhuǎn)印，這也大大限制了超疏液表面的使用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種超疏液薄膜及其制備方法，該方法制備的超疏液薄膜具有高度的透明性、柔性、可拉伸性、良好的粘附性以及良好的自清潔特性。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種超疏液薄膜的制備方法，其流程如圖1所示。該方法包括以下步驟:
[0006](I)對(duì)具有T型微納結(jié)構(gòu)的原始模板進(jìn)行疏水處理并澆筑第一彈性可固化材料，在固化之后，將所述第一彈性可固化材料脫模，得到表面具有T型微納米結(jié)構(gòu)的中間體；
[0007](2)利用軟復(fù)制工藝將所述中間體表面的T型微納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到第二可固化材料上，將第二可固化材料從中間體剝離后，得到表面具有T型微納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體；
[0008](3)對(duì)所述結(jié)構(gòu)體具有T型微納米結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面進(jìn)行疏水處理，形成疏水單分子涂層，完成超疏液薄I旲的制備。
[0009]在上述制備方法中，優(yōu)選地，在步驟(I)中，所述疏水處理包括以下方式:
[0010]使用化學(xué)氣相沉積工藝處理加熱原始模板上的T型微納米結(jié)構(gòu)的表面，在T型微納米結(jié)構(gòu)的各個(gè)方向使用等離子狀態(tài)下的碳氟化合物氣源進(jìn)行沉積，在T型微納米結(jié)構(gòu)的表面生成具有疏水性的碳氟化合物涂層；
[0011]或者，使用單分子自組裝工藝在原始模板的T型微納米結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在T型微納米結(jié)構(gòu)的表面生成具有疏水性的碳氟化合物涂層；
[0012]優(yōu)選地，所述具有T型微納結(jié)構(gòu)的原始模板包括通過(guò)干法刻蝕得到的模板，也可以是其他方法制備的T型微納結(jié)構(gòu)模板；
[0013]優(yōu)選地，所述碳氟化合物包括三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅胺(HMDS)和全氟癸基三氯硅烷(PFTS)中的一種或幾種的組合。
[0014]在上述制備方法中，優(yōu)選地，在步驟(I)中，澆筑第一彈性可固化材料包括:
[0015]將液相的第一彈性可固化材料灌注到經(jīng)過(guò)疏水處理的原始模板的T型微納結(jié)構(gòu)之中，并抽真空，使液相的第一彈性可固化材料覆蓋原始模板的表面并且無(wú)氣泡；
[0016]固化所述第一彈性可固化材料，該固化可以通過(guò)加熱(例如烘烤)或紫外照射等方式進(jìn)行；
[0017]在固化之后，將所述第一彈性可固化材料從原始模板上脫模，得到表面具有與原始模板表面的T型結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的T型微納米結(jié)構(gòu)的中間體。
[0018]在上述制備方法中，優(yōu)選地，所述第一彈性可固化材料包括聚二甲基硅氧烷、三元乙丙橡膠(PDMS)、丁腈橡膠、順丁膠和氯丁膠中的一種或幾種的組合。本發(fā)明使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠、順丁膠、氯丁膠等作為中間層彈性材料，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、三元乙丙橡膠、丁腈橡膠、順丁膠、氯丁膠等均為熱固性彈性體，可將微納米結(jié)構(gòu)精確地轉(zhuǎn)印到任意加熱可固化材料，再經(jīng)簡(jiǎn)單的疏水處理，可實(shí)現(xiàn)疏水疏油的優(yōu)良性會(huì)K。
[0019]在上述制備方法中，優(yōu)選地，在步驟(2)中，所述轉(zhuǎn)印包括:
[0020]將液相的第二可固化材料旋涂到所述中間體表面的T型微納米結(jié)構(gòu)上并完全充滿空隙；旋涂的轉(zhuǎn)速可以控制為每分鐘100轉(zhuǎn)到2000轉(zhuǎn)；
[0021]固化所述液相的第二可固化材料，該固化可以通過(guò)低溫或者其他方式進(jìn)行；
[0022]完全固化后，將所述液相的第二可固化材料從所述中間體上脫模，得到表面具有T型微納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體。
[0023]在上述制備方法中，優(yōu)選地，所述第二可固化材料包括EVA乳液、紙漿、丙烯酸乳液中的一種或幾種的組合；更優(yōu)選為EVA乳液。EVA乳液成本低，易成模，易脫模，具有柔性、透明、可拉伸等特性。
[0024]在上述制備方法中，優(yōu)選地，在步驟(3)中，所述疏水處理包括以下方式:
[0025]使用化學(xué)氣相沉積工藝處理加熱所述結(jié)構(gòu)體具有T型微納米結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面，在T型微納米結(jié)構(gòu)的各個(gè)方向使用等離子狀態(tài)下的碳氟化合物氣源進(jìn)行沉積，在T型微納米結(jié)構(gòu)的表面生成具有疏水性的碳氟化合物涂層；
[0026]或者，使用單分子自組裝工藝在所述結(jié)構(gòu)體具有T型微納米結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在T型微納米結(jié)構(gòu)的表面生成具有疏水性的碳氟化合物涂層；
[0027]優(yōu)選地，所述碳氟化合物包括三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅胺(HMDS)和全氟癸基三氯硅烷(PFTS)中的一種或幾種的組合。
[0028]在發(fā)明中，利用具有T型微納米結(jié)構(gòu)的原始模板，使用彈性材料將刻蝕在硅基板上的T型微納米結(jié)構(gòu)或者其他材質(zhì)的T型微納米結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)印至彈性可固化材料，借助彈性體材料軟復(fù)制的方法，使刻蝕在硅基板上的T型微納米結(jié)構(gòu)或者其他材質(zhì)的T型微納米結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)印至其他可固化材料，結(jié)合低表面能聚合高分子材質(zhì)特性，加工適用于多種可固化材料的結(jié)構(gòu)可控、性能優(yōu)良的超疏液薄膜。
[0029]本發(fā)明還提供了一種超疏液薄膜，其是通過(guò)上述方法制備的，其中，該超疏液薄膜包括基底以及設(shè)置在由第二可固化材料構(gòu)成的基底上的多個(gè)T型微納米結(jié)構(gòu)，所述T型微納米結(jié)構(gòu)包括柱體和設(shè)置在柱體頂部的蓋體，所述柱體在豎直方向上的投影落入所述蓋體在豎直方向上的投影范圍內(nèi)。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，優(yōu)選地，上述超疏液薄膜的基底的厚度為60微米到3毫米，所述柱體的尺寸范圍為:直徑、長(zhǎng)度和/或?qū)挾葹?00納米到30微米，高度為600納米到30微米，所述蓋體的尺寸范圍為:直徑為600納米到50微米，高度為300納米到20微米；更優(yōu)選地，所述柱體為圓柱體、長(zhǎng)方體、正方體、圓臺(tái)或棱臺(tái)，所述蓋體為圓形、方形或多邊形。
[0031]該超疏液薄膜可以貼覆在幾種不同材質(zhì)的固體表面上，或者，進(jìn)行拉伸之后貼覆在幾種不同外形的固體表面上。
[0032]本發(fā)明還提供了一種超疏液貼膜，其中，該超疏液貼膜是由上述超疏液薄膜制備的。超疏液貼膜本身具有較好的粘附性，可以直接用作超疏液貼膜，也可以涂上一層粘合劑以進(jìn)一步增強(qiáng)粘附性。該貼膜可以進(jìn)行較大程度上的拉伸和彎曲，將薄膜貼覆在各種不同材質(zhì)和不同外形的固體表面上，能夠賦予其優(yōu)良的超疏液特性。貼膜的制備成本低廉，一旦損壞或磨損，可以很方便地更換。
[0033]本發(fā)明提供的超疏液薄膜不僅具有良好的超疏液性能，而且具有良好的柔韌性、可拉伸性和粘附性，可以很好地貼附在各種材質(zhì)和各種復(fù)雜外形的物體表面，并賦予這些表面優(yōu)秀的超疏液性能。而且由于一個(gè)模板可以復(fù)制成千上萬(wàn)個(gè)高精度的超疏液表面，因此可以大幅降低成本，使得該低成本的超疏液貼膜一旦被磨損或污染可以方便更換。因此，本發(fā)明提出的超疏液貼膜可以大幅擴(kuò)展超疏液表面的應(yīng)用范圍，有望在減阻、自清潔等領(lǐng)域上有廣泛的應(yīng)用。
[0034]本發(fā)明基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于特殊倒懸微結(jié)構(gòu)的超疏液薄膜，具有優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)及性能可控性，對(duì)水和油等幾乎任何液體的接觸角大于150 °，接觸角滯后(CAH)小。為了克服超疏液性能所必需的倒懸微納結(jié)構(gòu)對(duì)于極少數(shù)材料和工藝的依賴(lài)瓶頸，使得各種材質(zhì)、各種外形的物體表面都能低成本地獲得優(yōu)良的超疏液性能，本發(fā)明使用精確的轉(zhuǎn)印技術(shù)，結(jié)合一種基于粘彈體(例如聚二甲基硅氧烷，PDMS)的兩步“軟復(fù)制(Soft RepIicat1n) ”法，將T型結(jié)構(gòu)精確復(fù)制到彈性材料上，再經(jīng)彈性材料作為柔性模板，從而在多種可固化的高分子材料(例如EVA乳液)獲得T型結(jié)構(gòu)，獲得低成