[发明专利]一种单晶硅表面跨尺度减摩抗磨改性方法及表征方法

说明书

本发明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。

技术领域：

本发明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。

背景技术：

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。

发明内容：

本发明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；