一种透明超疏水薄膜、其制备方法及用途技术

本发明专利技术涉及一种透明超疏水薄膜、其制备方法及用途。本发明专利技术的透明超疏水薄膜兼具超薄、超透明和极好的超疏水性，厚度在60‑150nm，透光率在90‑97％，与水的接触角大于167°。本发明专利技术采用将射频磁控溅射与退火相结合的方法在普通玻璃、k9玻璃、镀有增透膜的玻璃或者硅等多种透明或非透明衬底上制备薄层氧化锌纳米结构并进行低温氟化处理，大大降低表面能，表现出超疏水特性。该方法工艺简单，制作过程在高真空下进行，污染少，周期短，可重复操作且易于大规模生产，可广泛应用于对透光和超疏水均有要求的光电器件、光学器件等高端领域以及汽车玻璃、家用玻璃等工业、日常生活低端领域，具有十分重要和广泛的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种透明超疏水薄膜、其制备方法及用途
本专利技术属于功能薄膜制备
，涉及一种透明超疏水薄膜、其制备方法及用途，特别涉及一种基于超薄氧化锌薄膜的透明超疏水薄膜、其制备方法及用途。
技术介绍
所谓超疏水要求材料表面稳定接触角要大于150°，滚动接触角小于10°，在表面上水珠呈球形，在自身重力或外加力的作用下，水珠即可从表面滚落。超疏水表面由于具有自清洁功能，近年来越来越受到人们关注，可广泛应用于众多领域，如室外天线可防积雪、远洋轮船和石油管道可防污、防腐、微量注射器针尖可防粘附和污染等。透明和自清洁是材料的两个重要特性，其在防水、防结雾、自清洁以及光利用率等方面有着重要的应用价值。例如，玻璃表面的反射和污染大大降低了玻璃的透明度和美观度，很多光电器件也需要降低光学反射以提高光的利用效率以及通过器件的表面自清洁来延长使用寿命。制备同时兼具透明和持久耐用的自清洁薄膜是目前国内外相关领域的研究重点。例如，汽车挡风玻璃、太阳能电池表面以及窗口玻璃等。由于超疏水表面要求具备大表面粗糙度和低表面能，而大表面粗糙度会增加光散射导致透明度降低；另一方面高透明性又要求薄膜粗糙度要远小于光波波长，但粗糙度过小又不利表面超疏水性。因此，对粗糙度相互矛盾的要求使得既透明又超疏水表面的制备异常困难。由此可见，制备透明超疏水薄膜的关键在于如何控制表面粗糙度使其同时满足超疏水和高透明性要求。迄今为止，关于具有自清洁功能光学薄膜的制备已有较多文献报道。主要集中于多层自组装法、模板法、刻蚀法和溶胶-凝胶等方法。但其制备工艺复杂冗长，制备速度慢，周期长，且表面理化性能较差，严重影响其应用。因此，探索在不同衬底上制备透明超疏水表面的工艺简单、污染少、周期短、可重复和规模化方法意义重大。近年来，已有一些文献报道透明超疏水窗口表面的制备。常见材料包括SiO2、TiO2、Al2O3或异质结构ZnO/SiO2等。N.L.Tarwal等采用喷雾热解法将不同浓度的氧化锌热解喷涂到玻璃表面，随着涂层厚度的增加，薄膜粗糙度增大，水接触角增大，透过率降低，当厚度达近900nm时，涂层水接触角涂层最大水接触角为154°，大于150度，达到超疏水效果，透光率为82％[AppliedSurfacescience，2010,256，7451-7456]。CN101962269B公开了一种超疏水抗反射氧化锌纳米针阵列的制备方法，其采用化学浴方法，利用晶种织构化和前驱液浓度梯度沉积方法实现了氧化锌纳米针结构，通过工艺条件控制针大小、密度、形貌等得到透明超疏水表面，针尖高度数百纳米，典型反射率小于5％。CN104261695B公开了一种透明超疏水氧化锌涂层的制备方法，采用溶胶凝胶法在玻璃基底上制备了透明超疏水氧化锌涂层，其接触角大于160°，最佳透明度为90％，接近于空白玻璃透明度。综上所述，现有报道都集中在采用化学浴、溶胶凝胶等化学方法，实验过程冗长复杂，污染大，重复性差，性能差，很难实现规模化的生产。此外，所制备的疏水膜均很厚，为数百纳米甚至微米级，透明性不大于95％，接触角均小于170°，都不具备同时兼顾超薄、超透明及极好超疏水性。因此，寻求简单、污染少、周期短、重复性好、可规模化生产、并能在多种衬底上形成同时具有超薄、高透明和很好超疏水性能表面的制备方法十分重要。
技术实现思路
针对现有技术中制备自清洁表面所存在的弊端，本专利技术的目的在于提供一种透明超疏水薄膜、其制备方法及用途，更具体的是提供一种基于超薄氧化锌薄膜的透明超疏水薄膜，其简单、重复性好的制备方法以及用途，本专利技术的透明超疏水薄膜具有超薄、高透明且很好超疏水性的优点，本专利技术的透明超疏水薄膜的厚度在60～150nm，透光率在90～97％，与水的接触角在167°以上，应用该透明超疏水薄膜得到的光电器件兼具优良的光学性质和自清洁功能。为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术“透明超疏水薄膜”中的“超疏水”指：其与水的接触角在167°以上。本专利技术的目的之一在于提供一种透明超疏水薄膜，所述透明超疏水薄膜包括氧化锌薄膜及负载于氧化锌薄膜表面的氟化碳薄膜，所述透明超疏水薄膜的厚度在60～150nm，透光率在90～97％，与水的接触角在167°以上。本专利技术中，透明超疏水薄膜的厚度在60～150nm，例如为60nm、65nm、70nm、80nm、85nm、90nm、100nm、110nm、115nm、120nm、130nm、135nm、140nm或150nm等。本专利技术中，透明超疏水薄膜的透光率在90～97％，例如为90％、91％、92％、93％、94％、94.5％、95％、95.5％、96％或97％等。本专利技术的超疏水薄膜与水的接触角在167°以上，例如为167°、169°、171°、173°、175°或179°等。优选地，所述氧化锌薄膜的厚度在50～120nm，例如为50nm、55nm、60nm、62.5nm、65nm、70nm、75nm、80nm、83nm、88nm、95nm、100nm、110nm或120nm等。本专利技术中的氧化锌薄膜具有独特的结构和粗糙度(参见图2a、图3a、图5a和图6a)，粗糙度在Ra＝20～60，有利于其具有非常好的疏水性。优选地，所述氟化碳薄膜的厚度在10～30nm，例如为10nm、12nm、14nm、15nm、18nm、20nm、22nm、23nm、25nm、27.5nm、28nm或30nm等。优选地，所述氟化碳薄膜的组成为CH3F、CH2F2、CHF3或CF4中的任意一种或至少两种的组合。本专利技术的目的之二在于提供一种如上所述的透明超疏水薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)采用射频磁控溅射系统进行锌薄膜制备，以及进行锌薄膜退火处理，得到氧化锌薄膜；(2)对步骤(1)得到的氧化锌薄膜进行氟化处理，得到透明超疏水薄膜。作为本专利技术所述方法的优选技术方案，步骤(1)所述采用射频磁控溅射系统进行锌薄膜制备的方法为射频磁控溅射方法，具体为：将衬底置于射频磁控溅射系统的基片台上，抽真空，以锌靶作为溅射源，氩气作为工作气体，沉积，得到负载在衬底的上表面的锌薄膜。本专利技术的锌薄膜具有特定的表面形貌和粗糙度，可以满足非常好的疏水性。优选地，所述衬底为惰性衬底，优选为普通玻璃、k9玻璃、硅(Si)、镀有增透膜的玻璃(简称为Glass/AR)、镀有透明导电膜的玻璃(简称为Glass/TCO)、镀有导电玻璃(ITO)的普通玻璃或非透明基体中的任意一种或至少两种的组合。本专利技术中，衬底的种类不同，会影响Zn膜的形核成膜进而影响薄膜的粗糙度，进一步得到的负载在衬底上的透明超疏水薄膜的疏水性。本专利技术中，透明超疏水薄膜负载在镀有增透膜的普通玻璃衬底或镀有增透膜的k9玻璃衬底上时，该产品既具有增透性，又具有超疏水性。优选地，所述非透明基体为镀有Au、Ag和Al等金属膜作为高反膜的Si窗口，进一步优选为镀有Au膜的Si窗口、镀有Ag膜的Si窗口或镀有Al膜的Si窗口中的任意一种。优选地，所述锌靶的纯度为99.999％。优选地，所述工作气体为超纯氩气，其纯度为99.99％。优选地，锌薄膜制备的过程中，衬底的温度为室温，本专利技术所述室温指15～32℃，例如为15℃、17℃、20℃、22℃、23℃、24℃、25℃、27℃、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明超疏水薄膜，其特征在于，所述透明超疏水薄膜包括氧化锌薄膜及负载在所述氧化锌薄膜表面的氟化碳薄膜，所述透明超疏水薄膜的厚度在60～150nm，透光率在90～97％，与水的接触角在167°以上。

【技术特征摘要】
1.一种透明超疏水薄膜，其特征在于，所述透明超疏水薄膜包括氧化锌薄膜及负载在所述氧化锌薄膜表面的氟化碳薄膜，所述透明超疏水薄膜的厚度在60～150nm，透光率在90～97％，与水的接触角在167°以上。2.根据权利要求1所述的透明超疏水薄膜，其特征在于，所述氧化锌薄膜的厚度在50～120nm；优选地，所述氟化碳薄膜的厚度在10～30nm；优选地，所述氟化碳薄膜的组成为CH3F、CH2F2、CHF3或CF4中的任意一种或至少两种的组合。3.如权利要求1或2所述的透明超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)采用射频磁控溅射系统进行锌薄膜制备，以及进行锌薄膜退火处理，得到氧化锌薄膜；(2)对步骤(1)得到的氧化锌薄膜进行氟化处理，得到透明超疏水薄膜。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述采用射频磁控溅射系统进行锌薄膜制备的方法为射频磁控溅射方法，具体为：将衬底置于射频磁控溅射系统的基片台上，抽真空，以锌靶作为溅射源，氩气作为工作气体，沉积，得到负载在衬底的上表面的锌薄膜；优选地，所述衬底为普通玻璃、k9玻璃、Si、镀有增透膜的玻璃、镀有导电膜的玻璃、镀有导电玻璃的普通玻璃或非透明基体中的任意一种；优选地，所述非透明基体为镀有金属膜的Si窗口，进一步优选为镀有Au膜的Si窗口、镀有Ag膜的Si窗口或镀有Al膜的Si窗口中的任意一种；优选地，所述锌靶的纯度为99.999％；优选地，所述氩气的纯度为99.99％。5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述锌薄膜制备的过程中，所述衬底的温度为15～32℃；优选地，所述锌薄膜制备的过程中，抽真空至背底真空高于10-7torr；优选地，所述锌薄膜制备的过程中，工作气压为3～10mtorr，优选为8mtorr；优选地，所述锌薄膜制备的过程中，射频功率为80～150w，优选为150w；优选地，所述锌薄膜制备过程中，沉积的时间为40～70min，优选为50min。6.根据权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述采用射频磁控溅射系统进行锌薄膜退火处理的方法为：将制备得到的上表面负载有锌薄膜的衬底置于射频磁控溅射系统的基片台上，抽真空，加热，通入氧气，在第一温度300～350℃保温，然后再升温至第二温度450～500℃保温，得到负载在衬底的上表面的氧化锌薄膜；优选地，所述锌薄膜退火处理的过程中，所述氧气的纯度为99.99％，所述氧气的流量优选为5...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫兰琴，褚卫国，徐丽华，宋志伟，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11