一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法技术

本发明专利技术涉及了一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法，以N‑3‑(三甲氧基硅烷基)丙基乙二胺自组装在硅表面作为基底连接层，在其表面喷覆1‑羧乙基‑3‑甲基咪唑氯盐离子液体和1‑十二烷基‑3‑甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体的混合溶液，制备了复合离子液体润滑薄膜，即对单晶硅表面进行了跨尺度减摩抗磨改性。进一步表征了单晶硅表面跨尺度减摩抗磨性能，采用原子力显微镜和超景深显微镜分析了样品的表面形貌；借助红外光谱仪、X射线衍射仪和接触角测量仪对化学组分以及润湿性能进行了表征；采用原子力显微镜和往复式微摩擦磨损试验机分别测试了样片的微/纳摩擦学性能，最后综合磨痕形貌对跨尺度减摩抗磨机理进行研究。

A method of cross scale antifriction and anti-wear modification of monocrystalline silicon surface and its characterization

The invention relates to a cross scale friction reducing and anti-wear modification method and a characterization method for the surface of monocrystalline silicon. N \u2011 3 \u2011 (trimethoxysilyl) propylethylenediamine is self-assembled on the surface of silicon as a base connecting layer, and the surface is sprayed with a mixture solution of 1 \u2011 carboxyethyl \u2011 3 \u2011 methylimidazolium chloride ionic liquid and 1 \u2011 dodecyl \u2011 3 \u2011 methylimidazolium hexafluorophosphate ionic liquid to prepare a complex solution In other words, the surface of single crystal silicon has been modified by cross scale anti friction and anti-wear. The surface morphology of the samples was analyzed by AFM and SFM. The chemical composition and wettability were characterized by IR, XRD and contact angle measurement. The micro / nano friction of the samples were tested by AFM and reciprocating Micro Friction and wear tester At last, the mechanism of cross scale friction reduction and anti-wear was studied.

【技术实现步骤摘要】
一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法
：本专利技术涉及一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法，属于微/纳润滑薄膜多元化和复合化的设计领域。
技术介绍
：随着科学技术的进一步发展，微/纳米技术的应用也逐渐广泛。单晶硅(Si)作为微机电系统(MEMS)的主要器件材料，其尺寸不断缩小到微/纳米尺度，由此带来的尺度效应使得Si表面的黏着力、摩擦力不断增大，从而严重制约了MEMS器件的可靠运行。因此，对Si基材料表面进行减黏着和抗磨改性处理迫在眉睫。表面改性技术，就是通过物理或化学方法改善材料表面性能，以达到预期改性目的，满足实际使用需求的方法。对Si基底进行表面改性使其表面带有特性官能团，进一步与特定类型的分子发生键合反应，从而增强润滑薄膜在Si基底的成膜性能，起到调控薄膜内部分子状态的作用。表征方法有很多种，可以采用傅里叶红外光谱仪、X射线光电子能谱仪、原子力显微镜、超景深显微镜以及往复式摩擦磨损试验机等对改性后的单晶硅进行表征。傅里叶红外光谱仪是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，通过傅里叶红外光谱仪收集样片表面的红外光谱谱图，来观察使用所得谱图中不同化学键的吸收峰以判定薄膜的形成；采用X射线光电子能谱分析仪收集样片表面的全扫描测量光谱图，通过分析所得光谱图中不同原子的能级分布情况来判定薄膜形成。原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器，轻敲模式下的原子力显微镜可以用来观察所制备样片的表面形貌，而接触模式下的原子力显微镜可以对样片表面进行纳米尺度黏着力和摩擦力测量。超景深显微镜能将微小的物体加以放大，形成清晰正的立体像，通过超景深显微镜可以来观察样片的微观分布。摩擦磨损试验机的工作原理是样片的待磨层与摩擦纸在荷重摩擦体的作用下以规定的速度相互摩擦，通过测量摩擦前后密度的减少量，来判断涂层的耐磨性，可以采用往复式摩擦磨损试验机对样片表面进行微米尺度的摩擦系数测量。虽然越来越多的研究学者对表面改性技术进行了研究，且目前的对材料的表征方法也格外丰富，但是目前还没有一种比较详细的方法综合阐述单晶硅表面跨尺度减摩抗磨的改性和表征。为了更好的减少MEMS器件的摩擦磨损，以及为后续的研究指明方向，亟需一种具体和系统的方法来阐明单晶硅表面跨尺度减黏减摩改性方法及表征方法。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法，上述目的通过以下技术方案实现：一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法，其特征在于，改性方法包含以下步骤：(1)将单晶硅晶片解离成10mm×10mm的样片，在丙酮、乙醇和去离子水中依次超声清洗10分钟，用干燥氮气(N2)吹干；将样片置入新鲜配制的Piranha溶液中，在温度为90℃下反应半小时后取出该样片，所述的Piranha溶液，是将体积比为7：3的98％wt的硫酸和30％wt的过氧化氢混合后冷却至室温而得；用大量去离子水冲洗样片并用干燥N2吹干，得到表面羟基化的单晶硅基底样片，记为Si-OH；(2)配制质量体积比(g/mL)为0.3％的N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙二胺(DA)溶液，所述的DA溶液是将DA溶于丙酮与去离子水的混合溶液中，所述丙酮与去离子水的混合溶液，是由体积比为10：1的丙酮与去离子水混合而成；然后将表面羟基化的单晶硅基底样片浸入新鲜配制的DA溶液中，在室温下浸渍1小时后取出，再分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗处理5分钟，得到表面修饰了DA自组装分子膜(SAM)的样片，记为DA-SAM；(3)配制质量体积比(g/mL)为0.3％的1-羧乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体([CMIM]Cl)溶液，所述的[CMIM]Cl溶液是将[CMIM]Cl溶于丙酮所得到的；(4)配制质量体积比(g/mL)为0.3％的1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体([DMIM]PF6)溶液，所述的[DMIM]PF6溶液是将[DMIM]PF6溶于乙醇所得到的；(5)配制离子液体混合溶液，该溶液是由体积比为1:1的[CMIM]Cl溶液和[DMIM]PF6溶液混合而成；(6)使用推式喷涂装置将离子液体混合溶液喷覆到步骤(2)制备的DA-SAM表面，在室温环境下放置12小时，制备得到了复合离子液体润滑薄膜，记为DA-[CMIM]Cl&[DMIM]PF6，即对单晶硅表面完成了跨尺度减摩抗磨改性。所述的推式喷涂装置为自制，其喷嘴内径是330μm，单一注射量是154μL，喷覆次数为50次，喷嘴距试件表面的距离为500mm。一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法，其特征在于，其表征方法包含以下步骤：(1)采用接触角测量仪器测量去离子水在样片表面上的静态接触角，分别进行5次重复测量，取其平均值，保证测量误差在5°以下；(2)采用全反射傅里叶变换红外光谱仪收集样片表面的红外光谱谱图，观察所得谱图中不同化学键的吸收峰；采用X射线光电子能谱分析仪收集样片表面的全扫描测量光谱图，分析所得光谱图中不同原子的能级分布情况，综合判定在单晶硅基底表面是否形成DA-[CMIM]Cl&[DMIM]PF6；(3)采用轻敲模式下的原子力显微镜和超景深显微镜分别观察样片的表面形貌和微观分布；(4)采用接触模式下的原子力显微镜对样片表面进行纳米尺度黏着力和摩擦力测量，定量分析样片表面纳米尺度下的减摩抗磨改性效果；(5)采用往复式摩擦磨损试验机对样片表面进行微米尺度的摩擦系数测量，分别在100mN～500mN的载荷下，定量分析样片表面微米尺度下的减摩抗磨改性效果；(6)试验结束后用丙酮、乙醇和去离子水对样片进行超声清洗10min，用N2吹干，然后用超深度显微镜和扫描电子显微镜对样片表面磨痕形貌进行观察，并进行磨损机理分析；(7)采用能谱仪对DA-[CMIM]Cl&[DMIM]PF6表面磨痕进行化学元素测量，进一步分析磨损机理，即完成了单晶硅表面跨尺度减摩抗磨性能表征。所述步骤(1)中的静态接触角，其变化可以反映样片表面化学成分变化。所述步骤(2)中的傅里叶红外光谱仪，是利用Ge(GATR，入射角为45°)衰减全反射附件，样片与半球形Ge晶体的平面紧密接触，以未放置样品时的附件作为背景，扫描次数为32次，分辨率为4cm-1，扫描范围为800cm-1～3200cm-1，为了消除H2O和CO2的影响，样品室和光学室中的压力保持在3.0×10-4Pa以下。所述步骤(4)中的纳米尺度黏着力和摩擦力测量，是通过监测悬臂的横向扭转作为所施加荷载的函数来完成的，由于悬臂扭转力未知，未尝试标定扭转力常数，直接用输出电压作为相对黏着力和摩擦力。所述步骤(5)中的微米尺度的摩擦系数测量，是使用直径为4mm的AISI-52100钢球相对于基底表面水平往复移动，频率为0.5Hz，移动距离为5mm；钢球用丙酮进行超声清洗后在光学显微镜下观察，以确保在每次测试前钢球表面没有污染物和制造缺陷。...

【技术保护点】
1.一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法，其特征在于，改性方法包含以下步骤：/n(1)将单晶硅晶片解离成10mm×10mm的样片，在丙酮、乙醇和去离子水中依次超声清洗10分钟，用干燥氮气(N

【技术特征摘要】
1.一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法，其特征在于，改性方法包含以下步骤：
(1)将单晶硅晶片解离成10mm×10mm的样片，在丙酮、乙醇和去离子水中依次超声清洗10分钟，用干燥氮气(N2)吹干；将样片置入新鲜配制的Piranha溶液中，在温度为90℃下反应半小时后取出该样片，所述的Piranha溶液，是将体积比为7：3的98％wt的硫酸和30％wt的过氧化氢混合后冷却至室温而得；用大量去离子水冲洗样片并用干燥N2吹干，得到表面羟基化的单晶硅基底样片，记为Si-OH；
(2)配制质量体积比(g/mL)为0.3％的N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙二胺(DA)溶液，所述的DA溶液是将DA溶于丙酮与去离子水的混合溶液中，所述丙酮与去离子水的混合溶液，是由体积比为10：1的丙酮与去离子水混合而成；然后将表面羟基化的单晶硅基底样片浸入新鲜配制的DA溶液中，在室温下浸渍1小时后取出，再分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗处理5分钟，得到表面修饰了DA自组装分子膜(SAM)的样片，记为DA-SAM；
(3)配制质量体积比(g/mL)为0.3％的1-羧乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体([CMIM]Cl)溶液，所述的[CMIM]Cl溶液是将[CMIM]Cl溶于丙酮所得到的；
(4)配制质量体积比(g/mL)为0.3％的1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体([DMIM]PF6)溶液，所述的[DMIM]PF6溶液是将[DMIM]PF6溶于乙醇所得到的；
(5)配制离子液体混合溶液，该溶液是由体积比为1:1的[CMIM]Cl溶液和[DMIM]PF6溶液混合而成；
(6)使用推式喷涂装置将离子液体混合溶液喷覆到步骤(2)制备的DA-SAM表面，在室温环境下放置12小时，制备得到了复合离子液体润滑薄膜，记为DA-[CMIM]Cl&[DMIM]PF6，即对单晶硅表面完成了跨尺度减摩抗磨改性。


2.一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法，其特征在于：权利要求1中步骤(6)所述的推式喷涂装置为自制，其喷嘴内径是330μm，单一注射量是154μL，喷覆次数为50次，喷嘴距试件表面的距离为500mm。


3.一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法，其特征在于，其表征方法包含以下步骤：
(1)采用接触角测量仪器测量去离子水在样片表面上的静态接触角，分别进行5次重复测量，取其平均值，保证测量误差在5°以下；
(2)采用全反射傅里叶变换红外...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘思思，孙鹤，阮双双，黄小宁，姜胜强，刘金刚，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43