具有多级次微纳结构的金刚石薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有多级次微纳结构的金刚石薄膜及其制备方法和应用，涉及金刚石薄膜技术领域。金刚石薄膜包括自基体表面依次向外形成的非连续的微米尺寸金刚石岛，以及由连续的纳米尺寸金刚石晶粒构成的纳米金刚石膜层，形成具有类荷叶乳突体的多级次微纳结构。其制备方法包括以下步骤：先在基体上进行低密度植晶，并通过热丝化学气相沉积法进行一次生长金刚石；再在一次生长金刚石薄膜上进行高密度植晶，并通过热丝化学气相沉积法进行二次生长金刚石。本发明专利技术的金刚石薄膜具有类荷叶乳突体的多级次微纳结构，形成仿生超疏水表面，不仅疏水性和自清洁能力强，而且耐腐蚀、寿命长。制备方法容易获得、适用性强，工艺简单、稳定，适合工业化生产。

Diamond films with multi-level micro nano structure and their preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
具有多级次微纳结构的金刚石薄膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及金刚石薄膜
，具体而言，涉及一种具有多级次微纳结构的金刚石薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
近前来，金刚石薄膜表面的润湿性倍受关注，因为润湿性能直接影响其在化学、生物、医药等领域的应用，尤其在宏观或微观器件的使用中，亟需亲水或超疏水的金刚石薄膜。例如，某些生物传感器需要亲水表面来促进细胞在探头上的吸附；相反，在海水、血液、机械冲击磨损等恶劣环境下工作的器件表面需要被保护，用超疏水的表面防化学腐蚀、防生物污损和抗机械磨损，例如抗血栓的人工支架、人工关节、深海精密探测器件、微流体器件等等。与其他高分子、金属、陶瓷材料相比，金刚石的硬度最高、抗磨损性能最佳、热导率最高、具有极强的化学惰性、化学性质稳定和生物相容性，是理想的亲水/超疏水材料。因此，如何有效控制金刚石的亲水/超疏水性能成为亟待解决的问题。一般来说，改变表面的亲疏水性可通过两种方法，一是对金刚石表面进行化学改性，包括氢化、氧化、氟化处理等，二是通过改变金刚石表面的微米纳米形貌，往往采用等离子体刻蚀金刚石涂层的方法，需要等离子体反应刻蚀(RIE)真空设备以及金做为掩膜，过程复杂，价格昂贵。现有技术中，论文Langmuir30(2014)12647.采用等离子体刻蚀法在金刚石表面形成微米/纳米柱阵列的结构，接触角达153°；论文JournalofMaterialsChemistry20(2010)10671，通过离子刻蚀的方法将金刚石涂层刻蚀成表面呈纳米针状阵列，然后进行表面氟化处理，使接触角最高达到160°；论文AppliedSurfaceScience346(2015)189，采用热处理方法处理自支撑金刚石，得到针状结构，并经过后续氢等离子体处理，得到最高接触角109°；论文Carbon139(2018)361首先采用光刻和反应离子刻蚀工艺将硅基体刻蚀成支柱状结构，然后沉积致密的纳米金刚石薄膜，然后进行氟等离子体处理，最高接触角达174°。但这些制备超疏水金刚石的技术一般都需要采用反应离子刻蚀设备(RIE)制备针/柱状纳米结构，即先制备出致密的金刚石薄膜，再采用金或其它金属做为掩膜，通入CF4、O2、H2等反应气体，产生等离子体，具有耗时长，工艺复杂，且RIE设备昂贵等缺陷。因此，所期望的是提供一种超疏水金刚石薄膜及其制备方法，其能够解决上述问题中的至少一个。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种金刚石薄膜，具有类荷叶乳突体的多级次微纳结构，达到超疏水的效果。本专利技术的目的之二在于提供一种上述金刚石薄膜的制备方法，采用化学气相沉积技术，依次经过低密度和高密度植晶获得，适用性强，容易制得，成本低，操作简单，工艺稳定，适合工业化生产。本专利技术的目的之三在于提供一种上述金刚石薄膜或上述金刚石薄膜的制备方法制备得到的金刚石薄膜在防化学腐蚀、自清洁、抗机械磨损或油水分离中的应用。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，提供了一种金刚石薄膜，所述金刚石薄膜包括自基体表面依次向外形成的非连续的微米尺寸金刚石岛，以及由连续的纳米尺寸金刚石晶粒构成的纳米金刚石膜层，形成具有类荷叶乳突体的多级次微纳结构。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，所述微米尺寸金刚石岛的尺寸为1-10μm，优选为2-7μm；优选地，纳米金刚石膜层的厚度为10-800nm，优选为20-200nm。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，所述基体包括硅、铜合金、不锈钢、玻璃或陶瓷中的一种。第二方面，提供了一种金刚石薄膜的制备方法，包括以下步骤：先在预处理后的基体上进行低密度植晶，并通过化学气相沉积法进行一次生长金刚石；再在一次生长金刚石薄膜上进行高密度植晶，并通过化学气相沉积法进行二次生长金刚石，得到金刚石薄膜；优选地，预处理包括清洗、腐蚀处理或喷砂处理、以及再清洗。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，低密度植晶的植晶密度为104-108个/cm2，优选(2-3)×106个/cm2；和/或，高密度植晶的植晶密度为109-1012个/cm2，(1-7)×1011个/cm2。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，低密度植晶通过调控金刚石植晶溶液的zeta电位，使纳米金刚石与基体表面电性相同；优选地，低密度植晶采用的植晶溶液包括纳米金刚石粉、阴离子表面活性剂和水，纳米金刚石粉质量占植晶溶液质量的0.005-0.5％，阴离子表面活性剂在植晶溶液中的浓度为10-6-10-3mol/L，植晶溶液pH为2-8；优选阴离子表面活性剂为草酸或柠檬酸；优选地，高密度植晶通过调控金刚石植晶溶液的zeta电位，使纳米金刚石与基体表面电性相反；优选地，高密度植晶采用的植晶溶液包括纳米金刚石粉、阳离子表面活性剂和水，纳米金刚石粉质量占植晶溶液质量的0.005-0.5％，阳离子表面活性剂在植晶溶液中的浓度为10-6-10-3mol/L，植晶溶液pH为5.5-6；优选阳离子表面活性剂为赖氨酸或甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；优选地，低密度植晶和高密度植晶的植晶方式均独立地为将基体放入植晶溶液中超声20-60min后取出干燥，优选干燥方式为用氮气吹干。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，热丝化学气相沉积法进行一次生长金刚石的工艺参数包括：以氢气、甲烷和任选的惰性气体为反应气体，反应气体总流量为500-850sccm，其中甲烷气体流量占总流量的1-5％，氢气和任选的惰性气体流量占总流量的95-99％，沉积压强为1500-6000Pa，灯丝温度为1800-2800℃，丝样距为7-15mm，沉积时间为1-1.5h。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，热丝化学气相沉积法进行二次生长金刚石的工艺参数包括：以氢气、甲烷和惰性气体为反应气体，反应气体总流量为500-850sccm，其中甲烷气体流量占总流量的1-5％，氢气流量占总流量的25-45％，惰性气体流量占总流量的50-70％，沉积压强为1500-6000Pa，灯丝温度为1800-2800℃，丝样距为20-25mm，沉积时间为20-30min。优选地，在本专利技术技术方案的基础上，所述金刚石薄膜的制备方法还包括得到金刚石薄膜后再对其进行表面氟化处理，得到氟化的金刚石薄膜。第三方面，提供了一种上述金刚石薄膜或上述金刚石薄膜的制备方法制备得到的金刚石薄膜在防化学腐蚀、自清洁、抗机械磨损或油水分离中的应用。与已有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术设计了一种荷叶仿生多级次微纳复合金刚石薄膜材料，即具有微米和纳米晶粒复合的金刚石薄膜，该微纳复合结构的形貌类似于荷叶的表面形貌，有一个个微米尺寸凸起(金刚石岛)，凸起表面为纳米晶粒，达到超疏水的效果，可以实现自清洁、油水分离等功能，且金刚石化学性质稳定、抗磨损冲击能力和抗耐腐蚀性强，寿命长。(2)本专利技术金刚石薄膜的制备方法采用化学气相沉积技术在网膜上制备出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石薄膜，其特征在于，所述金刚石薄膜包括自基体表面依次向外形成的非连续的微米尺寸金刚石岛，以及由连续的纳米尺寸金刚石晶粒构成的纳米金刚石膜层，形成具有类荷叶乳突体的多级次微纳结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种金刚石薄膜，其特征在于，所述金刚石薄膜包括自基体表面依次向外形成的非连续的微米尺寸金刚石岛，以及由连续的纳米尺寸金刚石晶粒构成的纳米金刚石膜层，形成具有类荷叶乳突体的多级次微纳结构。


2.按照权利要求1所述的金刚石薄膜，其特征在于，所述微米尺寸金刚石岛的尺寸为1-10μm，优选为2-7μm；
优选地，纳米金刚石膜层的厚度为10-800nm，优选为20-200nm。


3.按照权利要求1或2所述的金刚石薄膜，其特征在于，所述基体包括硅、铜合金、不锈钢、玻璃或陶瓷中的一种。


4.一种权利要求1-3任一项所述的金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
先在预处理后的基体上进行低密度植晶，并通过化学气相沉积法进行一次生长金刚石；
再在一次生长金刚石薄膜上进行高密度植晶，并通过化学气相沉积法进行二次生长金刚石，得到金刚石薄膜；
优选地，预处理包括清洗、腐蚀处理或喷砂处理、以及再清洗。


5.按照权利要求4所述的金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，低密度植晶的植晶密度为104-108个/cm2，优选(2-3)×106个/cm2；和/或，高密度植晶的植晶密度为109-1012个/cm2，(1-7)×1011个/cm2。


6.按照权利要求4或5所述的金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，低密度植晶通过调控金刚石植晶溶液的zeta电位，使纳米金刚石与基体表面电性相同；
优选地，低密度植晶采用的植晶溶液包括纳米金刚石粉、阴离子表面活性剂和水，纳米金刚石粉质量占植晶溶液质量的0.005-0.5％，阴离子表面活性剂在植晶溶液中的浓度为10-6-10-3mol/L，植晶溶液pH为2-8；优选阴离子表面活性剂为草酸或柠檬酸；
优选地，高密度植晶通过调控金刚石植晶溶液的zeta电位，使纳米金刚石与基体...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，王陶，李星星，黄磊，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44