单晶硅片表面制备巯基硅烷-稀土纳米复合薄膜的方法技术

一种单晶硅片表面制备巯基硅烷－稀土纳米复合薄膜的方法，将表面经过处理的单晶基片作为基底材料，在其表面采用自组装方法制备巯基硅烷－稀土纳米薄膜，首先将单晶硅片放入王水中，对单晶硅片进行预处理，清洗、干燥后，浸入巯基硅烷溶液中，静置８小时后取出，冲洗后用氮气吹干置于由稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、尿素及硝酸组成的稀土自组装溶液中进行组装，即获得巯基硅烷－稀土自组装纳米薄膜。本发明专利技术工艺方法简单，在单晶硅片表面制备的稀土自组装薄膜有明显减摩、耐磨作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种有机、无机纳米复合薄膜的制备方法，尤其涉及一种单晶硅片表面制备巯基硅烷自组装稀土纳米复合薄膜的方法。属于薄膜制备领域。
技术介绍
随着高科技的进步，机械制造工业正朝着微型化的方向发展，这就涉及了微型机械表面的摩擦学问题。由于硅材料具有硬度高、成本低廉、表面粗糙度小等优点，在微型机电系统中的应用日益受到重视。但是未经表面处理的硅材料脆性较高，表面裂纹在低张应力作用下易发生剥层磨损和脆性断裂，难以满足使用要求，因此需要用表面改性技术来提高硅材料表面微机械性能，以改善硅材料底微观摩擦磨损性能。目前可以通过自组装方法在单晶硅片表面制备自组装膜，来改善稀土表面的减摩抗磨性。但是有些自组装复合薄膜制备的过程相对来说比较繁琐，并且对环境的污染较大，减摩效果也不是很好。经文献检索发现，公开号为CN1358804A的中国专利技术专利公开了一种固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子超薄润滑膜的制备方法，这种方法是在固体表面自组装一层脂肪酸的单分子层，选取易吸附于固体表面的脂肪酸，配制成稀溶液，将制得的陶瓷膜迅速浸入配置好的脂肪酸稀溶液于室温下反应24～48分钟。该方法在制备自组装薄膜的过程中需要24～96h的时间来配制前驱体溶液，这样使得整个的成膜周期过长，而且在基片处理的过程中没有涉及到具体方法，并且该方法是制备了一种有机自组装薄膜，没有涉及到稀土元素对薄膜性能的改进和研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种单晶硅片表面制备巯基硅烷-稀土纳米复合薄膜的方法，采用单晶硅片作为基底材料，在其表面采用自组装方法制备巯基硅烷-稀土纳米复合膜，使其解决微机械系统的摩擦学问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的，方法如下首先对单晶硅片进行预处理，将单晶硅片浸泡在王水中，使用电炉加热王水，加热时间为5～6个小时，在室温中自然冷却，将单晶硅片取出，用去离子水反复冲洗，放入干燥皿中干燥，然后将处理后的单晶硅片浸入配制好的巯基硅烷溶液中，静置6～8小时，取出后分别用氯仿、丙酮、去离子水冲洗后，用氮气吹干置于配制好的稀土自组装溶液中，在80～100℃下进行组装10～12小时，即获得巯基硅烷-稀土自组装纳米薄膜。本专利技术采用的巯基硅烷溶液的组分摩尔浓度为巯基硅烷0.1～1.0mmol/L，溶剂为苯溶液。本专利技术采用的稀土自组装溶液的组分重量百分比为乙醇含量60％～80％，稀土化合物4.5％～7％，乙二胺四乙酸(EDTA)1％～4％，氯化铵2％～5％，尿素10％～25％，硝酸0.5％～1.5％。本专利技术的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈中的一种。本专利技术工艺方法简单，成本低，对环境无污染。在单晶硅片基片表面，巯基硅烷分子中含有可水解的活性基团，能够通过化学建Si-O与具有活性基团Si-OH的基底材料相结合，在基底表面形成一层自组装薄膜，并且巯基硅烷分子中的-SH基团具有反应活性，可发生多种化学反应。将表面组装了巯基硅烷底基片置入稀土溶液后，-SH基团与稀土元素发生络合反应，从而在硅烷表面又形成一层稀土纳米薄膜。本专利技术中的稀土自组装溶液配置简单，自组装成的巯基硅烷-稀土纳米薄膜具有分布均匀，成膜致密等优点。在单晶硅片表面制备的稀土自组装复合膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.1左右，具有十分明显的减摩作用。此外稀土自组装膜还具有良好的抗磨损性能，有望成为微型机械理想的边界润滑膜。具体实施例方式以下通过具体的实施例对本专利技术的技术方案作进一步描述，但本专利技术的技术特征不限于以下实施例中给出的组分和参数。实施例1首先，对单晶硅片进行预处理，将单晶硅片浸泡在王水中，使用电炉加热王水，加热时间为5个小时，在室温中自然冷却，将单晶硅片取出，用去离子水反复冲洗，放入干燥皿中干燥。将处理后的单晶硅片浸入配制好的巯基硅烷溶液中，静置8小时，巯基硅烷溶液的组分摩尔浓度为3-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷0.5mmol/L，溶剂为苯溶液；取出后分别用氯仿、丙酮、去离子水冲洗后，用氮气吹干后置于配制好的稀土自组装溶液中，在80℃下进行组装12小时，即获得巯基硅烷-稀土自组装纳米薄膜。本专利技术采用的稀土自组装溶液的组分重量百分比为乙醇含量60％，氯化镧5％，乙二胺四乙酸4％，氯化铵5％，尿素25％，浓盐酸1％。采用SPM-9500原子力显微镜、L116E型椭圆偏振光测量仪和PHI-5702型X-光电子能谱仪(XPS)来表征薄膜的表面形貌、厚度和化学成分。采用点接触纯滑动微摩擦性能测量仪测量薄膜摩擦系数。表征的结果表明在单晶硅片上自组装成的硅烷的膜厚在5～7nm之间，复合薄膜的膜厚在15～45nm之间。XPS谱图表明在单晶硅片表面自组装成的薄膜中含有稀土镧元素，并且通过对其结合能数值的分析，表明稀土镧元素是通过化学键合的方式组装到有机硅烷表面的。并且观察不到巯基硅烷的指标，因此单晶硅片的表面覆盖了一层稀土纳米复合薄膜。在点接触纯滑动微摩擦性能测量仪上分别测量干净单晶硅片和单晶硅片表面自组装稀土复合膜的摩擦系数。在单晶硅片表面制备的稀土自组装复合膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.1左右，具有十分明显的减摩作用。实施例2首先，对单晶硅片进行预处理，将单晶硅片浸泡在王水中，使用电炉加热王水，加热时间约为6个小时，在室温中自然冷却，将单晶硅片取出，用去离子水反复冲洗，放入干燥皿中干燥。将处理后的单晶硅片浸入配制好的巯基硅烷溶液中，静置6小时，巯基硅烷溶液的组分摩尔浓度为3-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷0.1mmol/L，溶剂为苯溶液；取出后分别用氯仿、丙酮、去离子水冲洗后，用氮气吹干后置于配制好的稀土自组装溶液中，在90℃下进行组装11小时，即获得巯基硅烷-稀土自组装纳米薄膜。本专利技术采用的稀土自组装溶液的组分重量百分比为乙醇含量80％，氯化镧4.5％，乙二胺四乙酸1％，氯化铵2％，尿素12％，浓盐酸0.5％。采用实施例1中的表征手段对薄膜质量进行评价。表征的结果表明在单晶硅片上自组装成的硅烷的膜厚在5～8nm之间，复合薄膜的膜厚在15～50nm之间。XPS谱图表明在单晶硅片表面自组装成了含有巯基基团的有机硅烷薄膜，看不到二氧化硅的指标，因此单晶硅片的表面都覆盖了一层致密的有机硅烷薄膜。在稀土溶液中组装过的薄膜表面含有稀土镧元素，且观察到的硫元素的指标非常弱，因此单晶硅片的表面覆盖了一层致密的稀土纳米复合薄膜。实施例3首先，对单晶硅片进行预处理，将单晶硅片浸泡在王水中，使用电炉加热王水，加热时间约为5个小时，在室温中自然冷却，将单晶硅片取出，用去离子水反复冲洗，放入干燥皿中干燥。将处理后的单晶硅片浸入配制好的巯基硅烷溶液中，静置7小时，巯基硅烷溶液的组分摩尔浓度为3-巯基丙基三甲氧基硅烷1.0mmol/L，溶剂为苯溶液；取出后分别用氯仿、丙酮、去离子水冲洗后，用氮气吹干后置于配制好的稀土自组装溶液中，在100℃下进行组装10小时，即获得巯基硅烷-稀土自组装纳米薄膜。本专利技术采用的稀土自组装溶液的组分重量百分比为乙醇含量65％，氯化铈7％，乙二胺四乙酸2.5％，氯化铵4％，尿素20％，浓盐酸1.5％。采用实施例1中的实验仪器对薄膜进行评价，表征的结果表明在单晶硅片上自组装成的硅烷的膜厚在5～7nm之间，复合薄膜的膜厚在15～40nm之间。XPS谱图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶硅片表面制备巯基硅烷－稀土纳米复合薄膜的方法，其特征在于，首先将单晶硅片浸泡在王水中加热５～６小时，在室温中自然冷却，将单晶硅片取出用去离子水冲洗，干燥后浸入配制好的巯基硅烷溶液中，静置６～８小时，取出冲洗后用氮气吹干，置于配制好的稀土自组装溶液中，在８０～１００℃下进行组装１０～１２小时，即获得巯基硅烷－稀土自组装纳米薄膜；其中，所述巯基硅烷溶液的组分摩尔浓度为：巯基硅烷０．１～１．０ｍｍｏｌ／Ｌ，溶剂为苯溶液；所述稀土自组装溶液的组分重量百分比为：乙醇：６０％～８０％，稀土化合物：４．５％～７％，乙二胺四乙酸：１％～４％，氯化铵：２％～５％，尿素：１０％～２５％，硝酸：０．５％～１．５％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程先华，白涛，吴炬，王梁，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]