專利名稱:一種在單晶硅片表面制備ZrO<sub>2</sub>復(fù)合薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種在單晶硅片表面制備Zr02復(fù)合薄膜的方法。
背景技術(shù):
隨著高科技的進步,機械制造工業(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 面微機械性能,以改善硅材料底微觀摩擦磨損性能。目前可以通過自組裝方法在單晶硅基片 表面制備自組裝膜,來改善單晶硅基片表面的減摩抗磨性。
納米材料是近幾年被十分重視的新型材料,其所具有的許多優(yōu)異性能,可應(yīng)用于許多領(lǐng) 域。Zr02是納米材料的一種,具有奇特的電學(xué)性能、超強的力學(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。
經(jīng)文獻檢索發(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,可用于微型機電系統(tǒng)的 潤滑與防護。該方法是將摩爾比為0.1 10%硅烷偶聯(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100°C 200 。C進行熱處理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。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種在單晶硅片表面制備Zr02復(fù)合薄膜的方法,其目的在于針對現(xiàn)有技術(shù) 中,未經(jīng)表面處理的硅材料脆性高、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, 采用自組裝超薄聚合物膜的制備方法工藝繁瑣、熱處理時間長等缺點。本發(fā)明提供的一種單 晶硅片表面制備Zr02復(fù)合薄膜的方法,工藝簡單,自組裝成的復(fù)合薄膜不僅具有良好的減摩 性能,而且成膜周期短,可有效解決微機械系統(tǒng)的摩擦學(xué)問題。為實現(xiàn)這一目的,本發(fā)明采用單晶硅片作為基底材料,在其表面采用自組裝方法制備磺 酸基硅烷薄膜,再用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)Zr02分散夜在硅烷表面制備Zr02的復(fù)合薄膜。
一種在單晶硅片表面制備Zr02復(fù)合薄膜的方法,其特征在于按如下步驟進行
1) 首先對單晶硅片進行預(yù)處理-
A) 先將單晶硅片浸泡在王水中加熱5 6小時,在室溫中自然冷卻后取出,沖洗、干燥;
B) 讓后將單晶硅片浸于體積比為H2S04 : H202 = 70 : 30 (Pirahan)的溶液中,于室溫下處 理1小時,用去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi),在烘箱中干燥;
C) 再將處理后的單晶硅片浸入巰基硅烷濃度為O. 1 1.0mmol/L的苯溶液中,靜置6 8 小時取出;
D) 先沖洗,后用氮氣吹干,置于質(zhì)量濃度為30% 60%的硝酸溶液中,在50 8(TC下反 應(yīng)2小時;
E) 取出用去離子水沖洗,得到表面附有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片;
2) 制備Zr02分散液
F) 將ZrO2在室溫下按0. 1 0.2mg/ml放入N,N-二甲基甲酰胺分散劑,40W超聲波分散1 3小時,得到穩(wěn)定的懸浮液;
3) 在單晶硅片表面制備Zr02復(fù)合薄膜
將表面組裝有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片浸入制備好的Zr02懸浮液中,在20 6(TC靜置 2 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Zr02復(fù) 合薄膜的單晶硅片。
在單晶硅片基片表面,巰基硅烷分子中含有可水解的活性基團,能夠通過化學(xué)建Si—0 與具有活性基團Si—OH的基底材料相結(jié)合,在基底表面形成一層表面帶有巰基基團的硅烷自 組裝薄膜。將表面組裝了巰基硅烷底基片置入一定濃度的硝酸溶液中靜置一段時間,薄膜表 面的巰基基團被原位氧化成磺酸基基團。再將其置入Zr02懸浮液后,基片表面將沉積Zr02。
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Zr02復(fù)合薄膜 可以將摩擦系數(shù)從無薄膜時的0.8降低到0.1左右,具有十分明顯的減摩作用。此外Zr02復(fù) 合薄膜還具有良好的抗磨損性能,可成為微型機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)明做進一步詳細描述,但本實施例并不用于限制本發(fā)明,凡是采用本發(fā)明的相似方法及其相似變化,均應(yīng)列入本發(fā)明的保護范圍。 實施例1:
對單晶硅片進行預(yù)處理將單晶硅片浸泡在王水中,使用電爐加熱王水,加熱時間為5 個小時,在室溫中自然冷卻,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。
干燥后浸于Pirahan溶液(H2 S04 : H202 = 70 : 3 0 , V / V)中,于室溫下處理1小時,用 去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi)在烘箱中干燥,然后將處理后的單晶硅片浸入配制好的 巰基硅烷溶液中,靜置6小時,巰基硅垸溶液的組分摩爾濃度為3—巰基丙基甲基二甲氧 基硅烷0. 5mmol/L,溶劑為苯溶液;取出后分別用氯仿、丙酮、去離子水沖洗去除表面物理 吸附的有機物后,用氮氣吹干置于質(zhì)量濃度為30X的硝酸溶液中在5(TC下反應(yīng)2小時,取 出用大量去離子水沖洗,這樣就把端巰基原位氧化成磺酸基,得到表面附有磺酸基硅垸薄膜 的單晶硅片。
在室溫下將ZrO2按0.1mg/ml放入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)分散劑,超聲波分散(40W) l小時,得到穩(wěn)定的懸浮液。
將表面組裝有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片浸入制備好的Zr02懸浮液中,在2(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Zr02復(fù)合薄膜 的單晶硅片。
采用SPM—9500原子力顯微鏡(AFM)、 JEM-2010掃描電子顯微鏡(SEM)和mi—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圖譜表明在單晶硅片表面自組裝成的硅烷薄膜中有巰基基團;原位氧化后,有高價 態(tài)硫元素,說明表面的硅烷薄膜上的巰基基團成功的原位氧化成了磺酸基基團;SEM圖片則 清晰地看到Zr02沉積在單晶硅片的表面,形成了Zr02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Zr02復(fù)合膜的摩擦系數(shù)。在單晶硅 片表面制備的Zr02復(fù)合薄膜可以將摩擦系數(shù)從無膜時的0. 8降低到0. 15左右,具有十分明 顯的減摩作用。 實施例2:
對單晶硅片進行預(yù)處理,將單晶硅片浸泡在王水中,使用電爐加熱王水,加熱時間為6 個小時,在室溫中自然冷卻,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。 干燥后浸于Pirahan溶液(H2 S04 : H202 = 70 : 3 0 , V / V)中,于室溫下處理1小時,用
去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi)在烘箱中干燥,然后將處理后的單晶硅片浸入配制好的巰基硅烷溶液中,靜置8小時,巰基硅烷溶液的組分摩爾濃度為3 —巰基丙基甲基二甲氧
基硅烷0. lmmol/L,溶劑為苯溶液;取出后分別用氯仿、丙酮、去離子水沖洗去除表面物理
吸附的有機物后,用氮氣吹干置于質(zhì)量濃度為40X的硝酸溶液中在65-C下反應(yīng)2小時,取
出用大量去離子水沖洗,這樣就把端巰基原位氧化成磺酸基,得到表面附有磺酸基硅烷薄膜 的單晶硅片。
在室溫下將ZrO2按0.15mg/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)定的懸浮液。
將表面組裝有磺酸基硅垸薄膜的單晶硅片浸入制備好的Zr02懸浮液中,在4(TC下靜置8 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Zr02復(fù)合薄膜 的單晶硅片。
采用實施例1中的表征手段對薄膜質(zhì)量進行評價。XPS圖譜表明在單晶硅片表面自組裝 成的復(fù)合薄膜中不同的薄膜層中含有磺酸基基團以及鈰元素,且在硅烷薄膜組裝后觀察不到 二氧化硅的指標(biāo);SEM圖片則清晰地看到Zr02沉積在單晶硅片的表面,形成了Zr02復(fù)合薄 膜。在單晶硅片表面制備的Zr02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3:
對單晶硅片進行預(yù)處理,將單晶硅片浸泡在王水中,使用電爐加熱王水,加熱時間為5 個小時,在室溫中自然冷卻,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。 干燥后浸于Pirahan溶液(H2 S04 : H202 = 70 : 3 0 , V / V)中,于室溫下處理1小時,用去
離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi)在烘箱中干燥,然后將處理后的單晶硅片浸入配制好的巰 基硅烷溶液中,靜置7小時,巰基硅垸溶液的組分摩爾濃度為3 —巰基丙基三甲氧基硅烷 1.0mmol/L,溶劑為苯溶液;取出后分別用丙酮、氯仿、去離子水沖洗去除表面物理吸附的有 機物后,用氮氣吹干后置于質(zhì)量濃度為60%的硝酸溶液中在80"下反應(yīng)2小時,取出用大量 去離子水沖洗,這樣就把端巰基原位氧化成磺酸基,得到表面附有磺酸基硅垸薄膜的單晶硅 片。
在室溫下將ZrO2按0.2mg/ml放入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)分散劑,超聲波分散(40W) 3小時,得到穩(wěn)定的懸浮液。
將表面組裝有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片浸入制備好的Zr02懸浮液中,在6(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Zr02復(fù)合 薄膜的單晶硅片。采用實施例1中的表征手段對薄膜質(zhì)量進行評價。XPS圖譜表明在基片表面上成功地組 裝上了巰基硅烷薄膜,并且?guī)€基基團被原位氧化成磺酸基;SEM圖片則清晰地看到Zr02沉積 在單晶硅片的表面,形成了Zr02復(fù)合薄膜。在單晶硅片表面制備的Zr02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。
權(quán)利要求
1、一種在單晶硅片表面制備ZrO2復(fù)合薄膜的方法,其特征在于按如下步驟進行1)首先對單晶硅片進行預(yù)處理A)先將單晶硅片浸泡在王水中加熱5~6小時,在室溫中自然冷卻后取出,沖洗、干燥;B)然后將單晶硅片浸于體積比為H2SO4∶H2O2=70∶30(Pirahan)的溶液中,于室溫下處理1小時,用去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi),在烘箱中干燥;C)再將處理后的單晶硅片浸入巰基硅烷濃度為0.1~1.0mmol/L的苯溶液中,靜置6~8小時取出;D)先沖洗,后用氮氣吹干,置于質(zhì)量濃度為30%~60%的硝酸溶液中,在50~80℃下反應(yīng)2小時;E)取出用去離子水沖洗,得到表面附有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片;2)制備ZrO2分散液F)將ZrO2在室溫下按0.1~0.2mg/ml放入N,N-二甲基甲酰胺分散劑,40W超聲波分散1~3小時,得到穩(wěn)定的懸浮液;3)在單晶硅片表面制備ZrO2復(fù)合薄膜將表面組裝有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片浸入制備好的ZrO2懸浮液中,在20~60℃靜置2~24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ZrO2復(fù)合薄膜的單晶硅片。
全文摘要
一種在單晶硅片表面制備ZrO<sub>2</sub>復(fù)合薄膜的方法,先將單晶硅片浸泡在王水中加熱5~6小時,取出用去離子水清洗、干燥;后浸于體積比為H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>∶H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>=70∶30的溶液中,于室溫下處理1小時,清洗干燥后浸入配制好的巰基硅烷溶液,靜置6~8小時取出,沖洗后用氮氣吹干,再置于質(zhì)量濃度為30%~60%的硝酸溶液中,在50~80℃下反應(yīng)2小時,把端巰基原位氧化成磺酸基;最后將單晶硅片浸入制備好的ZrO<sub>2</sub>懸浮液中,在20~60℃靜置2~24小時,取出沖洗后用氮氣吹干,得到表面沉積有ZrO<sub>2</sub>復(fù)合薄膜的單晶硅片。本發(fā)明可以將摩擦系數(shù)從無膜時的0.8降低到0.1,具有十分明顯的減摩作用。
文檔編號C04B41/50GK101412636SQ20081020081
公開日2009年4月22日 申請日期2008年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月7日
發(fā)明者安雙利 申請人:上海第二工業(yè)大學(xué)