[发明专利]单晶硅片表面制备多巴胺-稀土复合薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的方法，具体是一种单晶硅片表面制备多巴胺-稀土复合薄膜的方法。

背景技术

微电子技术向机械领域的不断渗透，极大地促进了机械向微型化方向的发展，兴起了微型机电系统(MEMS)研究热潮。硅基材料因其良好的弹性行为与刻蚀加工性被广泛应用于MEMS制造。但由于其脆性较高，表面裂纹在低张应力作用下易发生剥层磨损，硅基构件在反复的摩擦接触或载荷超过弹性极限时，易产生微小尺寸的磨粒，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与抗磨损性能。

目前在硅基表面薄膜改性的方法主要有LB(Langmiur Blodgett)膜、自组装膜SAM(Selfassembled monolayer)和分子沉积膜MDF(Molecular deposition film)等。LB膜技术在材料表面通过单分子膜组装，可构成分子有序体系，具有性能稳定、摩擦系数低、厚度可控等优点，但由于LB膜制备方法复杂且与基底以范德华力结合(物理吸附)，降低了膜的热稳定性和动力学稳定性，在一定程度上限制了其应用。分子沉积膜是近年来发展迅速的新兴技术，通过对聚合物薄膜表面改性可实现聚合物的多功能化，并可降低表面的摩擦力，但分子膜的有序性较差。自组装膜与基底以共价键结合且有序性排列，因而强度高，稳定性好。通过对SAM方便灵活的分子设计可获得不同结构及物理化学性能的表面，SAM结构稳定且堆积紧密，具有防腐蚀、减小摩擦、降低磨损等作用，在解决MEMS系统的摩擦润滑问题方面有较大的发展潜力。

目前，已有研究表明多巴胺可以作为一种中间连接体对表面进行功能化改性。多巴胺可以在各种有机、无机材料表面进行粘附，且粘结性能优异，过程简单易行。此种方法源于贝壳类动物分泌的蛋白质物质可以有效地粘结在物体的湿表面，已有研究结果表明，贝壳类动物所分泌出的蛋白质物质中的二羟基苯丙氨酸(DOPA)在其中起到主要作用，并证明多巴胺可以在各种有机或无机基体表面粘结良好，且可以作为进一步接枝的平台。

经过对现有技术的检索发现，公开号为CN 1830859A的中国发明专利申请，公开了一种单晶硅表面自组装氨基硅烷-稀土纳米薄膜的制备方法，该方法首先用王水对单晶硅表面进行预处理，然后将其放置在配置好的氨基硅烷溶液中自组装有机薄膜，最后放置于配置好的稀土溶液中组装成复合薄膜。但是该现有技术在对单晶硅表面进行预处理时需耗时12～14个小时，使整个成膜周期大大延长，效率降低。且预处理后的王水废液对环境有很大破坏性，给回收处置带来困难，经济性下降。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种单晶硅片表面制备多巴胺-稀土复合薄膜的方法，省去了单晶硅表面预处理的环节，通过自组装技术以多巴胺为中间连接体，制备摩擦性能优良的稀土膜，可大大提高硅基薄膜的摩擦学性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明以单晶硅片作为基底材料，在其表面沉积多巴胺后，将沉积有聚多巴胺薄膜的单晶硅片膜置于稀土溶液中进行自组装，制备得到多巴胺-稀土复合薄膜。

所述的单晶硅片经纳米氧化铈抛光以及乙醇浸泡。

所述的沉积多巴胺是指：将单晶硅片置于浓度为0.1～1.5mM/mL，pH值为6.0～10.0的多巴胺溶液中，以10～150r/min转速磁力搅拌0.5～48h。

所述的稀土溶液的组分及重量百分比为：稀土化合物0.1～2wt％、乙醇96.5～99.78wt％、氯化铵0.1～1wt％以及硝酸0.02～0.5wt％。

所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。

所述的自组装的时间为10～180分钟，反应完成后取出用去离了水反复冲洗，并用氮气吹干。

本发明工艺方法简单，成本低，时间短，对环境无污染，多巴胺与基底结合强度高。在单晶硅片表面自组装上聚多巴胺后，聚多巴胺中的-NH₂具有很强的活性，与稀土溶液中的稀土离子发生配位反应，从而在聚多巴胺表面又沉积一层致密均匀的稀土膜。

本发明中的稀土溶液配置简单，在单晶硅基片表面制备的多巴胺稀土复合薄膜可以将摩擦系数从无薄膜时的0.8降低到0.1左右，具有十分明显的减摩抗磨性能，有望成为微型机械理想的边界润滑膜。

附图说明

图1为实施例XPS全谱图；

图中：(A)：实施例1中多巴胺膜的XPS全谱图；(B)：实施例2中多巴胺膜的XPS全谱图；(C)：实施例3中多巴胺膜的XPS全谱图；(D)：单晶硅表面的XPS全谱图。

图2为实施例XPS能谱图；