基于半导体基底飞秒光制备微纳结构实现超疏水功能的方法技术

基于半导体基底飞秒光制备微纳结构实现超疏水功能的方法，属于表面改性技术领域。包括以下步骤：采用热蒸镀法或磁控溅射法在半导体材料表面镀金属膜；利用飞秒激光加工技术通过在半导体金属镀膜表面制备微纳结构，提高半导体表面粗糙度，进而形成复合界面，在半导体材料和液体之间形成空气层，最终实现超疏水功能。传统的疏水结构一般是在金属表面、石英玻璃、TiO

【技术实现步骤摘要】
基于半导体基底飞秒光制备微纳结构实现超疏水功能的方法
本专利技术是针对半导体基底实现超疏水的一种方法，特别是涉及利用飞秒激光在镀有贵金属膜的半导体材料表面制备微纳结构以实现超疏水功能的方法，其中的贵金属起到了一个辅助作用，进一步增加了表面粗糙度。该方法提出了一种创新思路，利用飞秒激光加工技术对半导体材料表面进行改性，使其从亲水转变为超疏水。该方法属于基于超快激光对半导体材料表面改性的研究，可应用于微流控和生物芯片中，属于表面改性

技术介绍
具有超疏水特性的生物，如荷叶、蝉翼和沙漠甲虫背都表现出极强的拒水能力，这样的表面与水的静态接触角通常高于150°和滚动角低于10°，被称为超疏水表面。对荷叶表面结构形貌的研究表明，表面润湿性差是表面微纳米凹凸性和化学物质共同作用的结果。荷叶表面有许多微米级的小乳突,而这些乳突及乳突之间又被众多纳米级的蜡晶所覆盖。这种双层结构，再加上覆盖荷叶的蜡层，使液滴在其表面处于Cassie状态，液滴不能进入荷叶的微米结构间距内部，所以不能浸润荷叶表面，从而实现超疏水的效果。此外，荷叶表面的水珠在滚动的同时还可将表面的污染物带走，我们称其为荷叶效应。这启示我们可通过制备微纳米结构和对材料表面进行低表面自由能化学修饰实现超疏水界面。近十几年来，材料表面的改性得到了广泛的研究，如何使表面可以改变材料的润湿性，使材料实现从亲水到疏水的转变，这在减小水中阻力、表面清洁和表面防腐等方面有巨大的应用前景。获得微纳米结构的方法有多种，例如气相沉积法、刻蚀法、自组装法、电化学法、模板法和静电纺丝法等。但这些方法存在着各种问题，比如加工环境苛刻、加工材料受限和设备昂贵等。超快激光因其加工过程热影响区极小、加工材料类型广泛和加工尺寸可直接达到纳米量级等优点而备受关注。与这些方法相比，飞秒激光辐照具有快速、清洁、制备方法简单的优点。这是一个非接触和高度选择性的过程。它可以提供本地化处理和精确控制，以产生复杂的特征。传统的疏水结构一般是在金属表面、石英玻璃、TiO2或聚乙烯薄膜上制备得到，但这些表面的机械稳定性差，固体和液体之间的气穴极易被液体充满。在苛刻的环境(例如碱性、酸性和盐溶液)中，这些表面将迅速失去其性能。如今，将超快激光加工技术与仿生结构制备相结合的研究正在快速发展，但对半导体化合物材料的仿生润湿性功能表面的研究还尚未开展。我们提出了一个利用飞秒加工技术在镀有贵金属的半导体材料表面制备微纳米结构，进而实现表面超疏水功能的方法，其中的贵金属膜起到了一个增加半导体化合物表面粗糙度的作用。半导体材料因其良好的光发射、探测及对电导率的控制而广泛出现在电子和光电子器件中。特别是以直接间隙和大电子迁移率为特征的Ⅲ-V族半导体，在光电子学领域非常有意义。本专利技术提出实现超疏水功能的方法，扩展了疏水材料的使用范围，半导体化合物材料也可应用于疏水结构，解决了光电子器件无法自清洁和防腐的问题。半导体材料表面润湿性的调控改性，无论是亲水还是疏水都有很大的应用前景。例如，超疏水表面非常适合污染物的自洁，高度亲水的表面可以提高表面附着力和润湿性。此外，表面润湿性也决定了试剂在微流控通道中的流动行为和细胞的粘附性，可以将其应用于微流控生物芯片的表面改性，生物芯片是今后发展的巨大领域，半导体化合物疏水结构的制备将更有利于在微流控中的光电子检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一个利用飞秒激光加工技术在镀有贵金属膜的半导体材料表面制备微纳米结构进而实现超疏水功能的方法，其是基于Cassie–Baxter理论，通过在镀金属膜半导体材料表面制备微纳结构，增加表面粗糙度，进而在液体和固体之间形成复合界面，接触角随粗糙度的增加而增加，最终实现超疏水功能的方法。本专利技术采用的技术方案如下：基于半导体基底飞秒光制备微纳结构实现超疏水功能的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用热蒸镀法或磁控溅射法在半导体材料表面镀金属膜；2)利用飞秒激光微纳加工技术在镀有金属膜的半导体表面制备微纳结构。在镀有金属膜的半导体材料表面实现超疏水功能。在镀有金属膜的半导体材料表面通过制备微纳结构实现超疏水功能。金属为贵金属，例如金、银等。半导体材料可为Ⅲ-V族化合物，例如InAs或GaAs等。进一步，基于半导体基底飞秒光制备微纳结构实现超疏水功能的方法，具体步骤如下：a)采用热蒸镀法/磁控溅射法在半导体材料InAs或GaAs上镀贵金属膜，膜厚度可取40-100nm；b)将制备好的样品固定于样品载物台上，在电控位移台中输入控制脚本，x轴直线运动amm，y轴直线运动pmm，x轴再反向运动amm，y轴沿同方向运动pmm…如此反复进行折线“S”型路径扫描，每一个折线“S”为一个周期，其中a根据所需结构大小设置，y轴直线运动pmm为扫描间距，一般在1-50μm之间，扫描速度为0.5mm/s；c)设计飞秒激光加工系统，利用shutter控制激光器的开关，用中性密度衰减片调节激光功率，通过合理的设计激光功率和扫描速度，使激光通量在0.038-0.178J/cm2之间，用聚焦透镜实现光斑的聚焦，光斑直径与所用超快激光器型号和光路中的光学元件有关，利用CCDg观察激光光斑及样品运动情况；d)打开飞秒激光器和控制脚本，通过位移台的移动实现样品的移动，在样品上进而制得微纳米结构。e)结构表征：用扫描电子显微镜(SEM)对微纳米结构大小进行表征。f)测量接触角：用SDC-350接触角测量仪测试微纳米结构与水的接触角。此前，还没有人提出基于半导体化合物材料利用飞秒激光加工技术通过在表面制备微纳结构进而实现超疏水功能的方法。故我们提出利用微纳加工技术对半导体材料进行表面改性的方法，制备得到的微纳结构具有超疏水功能，实现了亲水到疏水的转性。本专利技术扩展了疏水材料的使用范围，半导体化合物材料也可用于疏水结构的制备。在半导体材料上制备的疏水微纳米结构可很好的应用到光电子器件中，实现表面的自清洁和防腐功能，延长光电子器件的使用寿命。还可应用于微流控生物芯片的表面改性，半导体化合物疏水结构的制备将更有利于在微流控中的光电子检测。这些都表明本专利技术有很广阔的应用前景。附图说明为了更加清楚的说明本专利技术具体的实施过程，下面对实施过程中使用到的附图做简单的介绍。图1是本专利技术中微纳米结构制备的光路图，a为shutter，b为半透半反镜，c为中性密度衰减片，d为聚焦透镜，e为样品，f为位移台，g为CCD，h为电脑。图2是本专利技术实施例1中微纳米结构电镜图，(a)LIPSS，(b)鱼鳞状结构，(c)花瓣状结构。图3是本专利技术实施例1中微纳米结构的接触角测试图，(a)InAs基底接触角，(b)LIPSS接触角，(c)鱼鳞状结构接触角，(d)花瓣状结构接触角。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1制备样品：采用热蒸镀法在半导体材料InAs上镀Ag膜，Ag膜厚度可取40nm；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于半导体基底飞秒光制备微纳结构实现超疏水功能的方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)采用热蒸镀法或磁控溅射法在半导体材料表面镀金属膜；/n2)利用飞秒激光微纳加工技术在镀有金属膜的半导体表面制备微纳结构。/n

【技术特征摘要】
1.基于半导体基底飞秒光制备微纳结构实现超疏水功能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)采用热蒸镀法或磁控溅射法在半导体材料表面镀金属膜；
2)利用飞秒激光微纳加工技术在镀有金属膜的半导体表面制备微纳结构。


2.根据权利要求1所述的基于半导体基底飞秒光制备微纳结构实现超疏水功能的方法，其特征在于，在镀有金属膜的半导体材料表面实现超疏水功能。


3.根据权利要求2所述的基于半...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世炳，王胜男，宋海英，王冰，吴坚，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11