[发明专利]石墨烯基自组装多层纳米润滑薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯基自组装多层润滑薄膜的制备方法。

背景技术

20世纪80年代中后期兴起的微电子机械系统（MEMS）具有体积小、质量轻、能耗低、集成度和智能化程度高等特点，在生物、医学、环境控制、航空航天、数字通信、传感技术等现代技术领域展现了巨大的发展潜力。

不过，结构尺寸微型化之后，MEMS各部件间隙常处于纳米级甚至零间隙，在运动过程中受尺寸效应的影响，表面粘着力、摩擦力等各种表面力相对于传统机械而言，表现得非常突出，成为影响MEMS性能、稳定性和使用寿命的关键因素。因此，有效的润滑膜对MEMS的实际应用具有极其重要的意义。

在这种系统中，传统润滑剂已不再适用。在过去的一些研究中，各种新型润滑方法如LB膜、自组装单层薄膜等均受到了广泛关注。与自组装单层薄膜相比，同样具有纳米量级厚度的自组装多层薄膜的结构可调性增加，通过合理的分子设计，可以极大的提高纳米薄膜的润滑性能。然而，目前制备的自组装多层润滑薄膜多是基于有机硅烷分子的化学吸附，而这些有机硅烷分子本身的抗磨性能并不十分突出。最近的研究表明，（氧化）石墨烯纳米片组成的纳米薄膜具有良好的减摩、抗磨性能。因此，发展基于氧化石墨烯的多层自组装薄膜的制备技术具有重要意义，将更有利于实现自组装多层薄膜在MEMS上的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯基自组装多层纳米润滑薄膜的制备方法，本发明制备方法简单易行，主要包括以下步骤：

（1）选取氨基硅烷偶联剂，溶解于体积比为丙酮：水=95：5的混合溶剂，配制氨基硅烷偶联剂稀溶液；

（2）将单晶硅基片浸于体积比为H₂SO₄：H₂O₂=7：3的溶液中，于90℃下处理0.5~1小时，用超纯水超声清洗后用氮气吹干，然后将其浸入上述配制的氨基硅烷偶联剂稀溶液中，静置0.5~1小时取出，在超纯水中超声清洗后用氮气吹干，得到表面组装有氨基硅烷偶联剂薄膜的单晶硅基片；

（3）将氧化石墨烯溶解于超纯水中，超声分散，配制氧化石墨烯稀溶液；

（4）将表面组装有氨基硅烷偶联剂薄膜的单晶硅基片浸入上述配制的氧化石墨烯稀溶液，于80℃下静置6~12小时后取出，在超纯水中超声清洗后用氮气吹干，得到表面组装有氧化石墨烯纳米片的单晶硅基片；

（5）选取低表面能硅烷分子，溶解于甲苯中，配制低表面能硅烷分子稀溶液；

（6）将表面组装有氧化石墨烯的单晶硅基片浸入上述配制的低表面能硅烷分子稀溶液，室温下静置2~12小时，取出后在80℃环境气氛中处理1~2小时，待自然冷却到室温时，取出样品，依次在甲苯、丙酮、超纯水中超声清洗2~5分钟，氮气吹干，即得氧化石墨烯基多层润滑薄膜。

氨基硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷。

低表面能硅烷分子为十八烷基三氯硅烷。

氨基硅烷稀溶液的浓度为2 mmol/L~10 mmol/L；氧化石墨烯稀溶液浓度为 0.1~1.0 mg/mL；低表面能硅烷稀溶液的浓度为2 mmol/L~10 mmol/L。

本发明所涉及的氨基硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷，所涉及的低表面能硅烷分子为十八烷基三氯硅烷。通过上述步骤（1）~（4）所制备的样品简记为APTES-GO，通过上述（1）~（6）所制备的样品简记为APTES-GO-OTS。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种单晶硅基片表面氧化石墨烯基多层纳米润滑薄膜的制备方法，包括：氨基硅烷分子在羟基化单晶硅表面的自组装；氧化石墨烯在氨基硅烷分子表面的化学吸附；低表面能分子在氧化石墨烯表面的化学吸附。本发明以氨基硅烷为过渡层，通过氨基与氧化石墨烯环氧基团、羧基基团的反应，得到结构稳定的氧化石墨烯纳米薄膜，然后利用氧化石墨烯表面的羟基作为活性位点，促进低表面能硅烷分子在其表面的化学吸附，从而最终得到氧化石墨烯基多层纳米润滑薄膜。与现有技术相比，本发明具有以下本质特点：一方面，3-氨基丙基三乙氧基硅烷自组装薄膜的引入大大增加了石墨烯与基片的结合强度，提高了其稳定性；同时，低表面能十八烷基三氯硅烷分子的引入大大降低了薄膜的表面能，有利于进一步减少表面粘滞，降低摩擦系数。

附图说明

图1.（a）氧化石墨烯结构示意图；（b）氧化石墨烯基自组装多层纳米润滑薄膜制备过程示意图。

图2.（a）APTES-GO表面水滴接触角照片；（b）APTES-GO-OTS样品表面水滴接触角照片。