无机超疏水功能薄膜材料的制备及其润湿机理研究

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1、北京工业大学工学博士学位论文摘要润湿性能是固体表面的重要特征之一，近期的相关研究表明，它是由表面的化学组成和微观几何结构共同决定的。对固体表面的润湿调控在许多领域都有着重要的应用前景，研究表面润湿性能特别是超疏水性能具有重要的意义。相比有机方法的表面润湿改性，无机薄膜材料有着良好的力学及光学、电学等功能特性，本论文在对规则几何阵列构造的表面进行了模拟分析的基础上，对几种典型的无机薄膜材料表面润湿性进行了研究，并深入探讨了动态润湿行为机理，主要内容包括：一．设计了由圆柱(孔)和方柱(孔)等规则几何阵

2、列构成的一阶和二阶表面形貌模型，并利用Cassie理论分别对这几种表面模型的表面接触角进行了模拟计算，计算结果表明，二阶结构比一阶结构的表面具有更强的疏水调控效果；在对一阶和二阶表面结构的模拟分析基础上，进一步拓展到多阶的表面结构，即结合我们的非晶碳样品的实际表面形貌，开展了表面“分形”结构的分析计算。通过计盒分维法将不同薄膜的表面定量描述。分析结果证明，随着分形维数的增大，表面有更多和更精细的纳米尺度的凹凸、皱褶和缺陷结构，具有更大的吸附和容纳气体的能力，提高了“表观接触面积”中气体所占的分数，

3、从而增大了水滴在薄膜表面的接触角。其中，400℃沉积的非晶碳表面微观结构的分维达到了2．59，而气体所占的分数为0．98，实测接触角达到152。。二．以上述模拟分析所得的规律作为指导，分类开展了无机薄膜材料润湿性研究，主要选择了金属铜(Cu)、非晶碳和氮化硼等几类典型无机薄膜作为研究对象。首先，在金属Cu表面的润湿性研究中，在不经过任何低表面能化合物进行表面修饰的情况下，利用磁控溅射的方法在Si(100)和石英衬底上制备出金属Cu超疏水薄膜：其次，在非晶碳薄膜研究中，通过调控溅射工艺成功制备了具有

4、系列性变化的表面形貌，其表面特征为从光滑平坦表面逐渐过渡到具有丰富的孔隙和复杂的皱褶的分形结构。对具有不同表面特征薄膜的润湿性能测试表明：仅仅通过工艺的调控使其形貌改变，就可以使非晶碳摘要薄膜的表面从亲水(接触角为40。)到超疏水(接触角为152。)的大范围变化。同时，通过CF。等离子体表面处理，极大提高了非晶碳薄膜表面的疏水性能，其中原本为弱疏水的表面(接触角为105。)变为超疏水表面，其接触角达到了162。。另外，我们还开展了氮化硼(BN)薄膜的表面润湿性能和光学性质研究。通过先用磁控溅射沉积

5、再用等离子体处理的方法，分别在石英和Si(100)衬底上制备得到了透明超疏水氮化硼薄膜，其最高接触角达到159。，并且透过率在80％以上。三．氧化锌(ZnO)是一种应用极其广泛的透明半导体材料，并且可以有许多种成熟的方法用以制备ZnO薄膜。因此我们在前述的“表面静态润湿”研究的基础上，以ZnO薄膜为对象进行了更加深入的探索，开展了“表面动态润湿”的研究。首先，利用等离子辅助沉积加热氧化的方法实现了前驱体锌膜生长及形貌控制，获得了表面由一维纳米金属锌材料构建的薄膜表面：并且通过对热氧化参数的控制，实

6、现了锌／氧化锌薄膜的润湿、光学及电学性能的大范围调控；其二、利用磁控溅射加热氧化的方法，对氧化锌薄膜表面的静态和动态润湿行为进行了系统的研究，提出了能够有效解释同种静态润湿行为下，具备不同固液动态交互作用行为的表面润湿三相线分散模型，揭示了一阶及多阶粗糙结构对水珠滚动行为的内在影响机制，阐述了“多阶结构有利于减小每一步的液珠滚动能量”是减小表面滚动角的根本原因。关键词：润湿性能；超疏水表面：无机薄膜；微观形貌：纳米结构北京工业大学工学博士学位论文ABSTRACTThewettabilityofso

7、lidsurfacesisaveryimportantproperty,therecentlyrelatedresearchindicated，thatitisgovernedbyboththechemicalcompositionandthemorphologicalmicrostructureofthesurface．Therewereimportantapplicationprospecttothesolidsurface’Swettingregulation。inmanydomains，t

8、heresearchesofthesurfacewettabilityspeciallyinthesuperhydrophobicitywouldhavethevitalsignificance．Comparedwiththemodificationofsurfacewettingbytheorganicmethods，theinorganicthinfilmmaterialshavemanybetterfunctionalpropertiesonmechanics，optics，