非晶碳薄膜潤(rùn)濕性能的可控性研究.pdf

1、潤(rùn)濕性能是固體表面的重要特征之一，它是由表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定的。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是人們的日常生活中，潤(rùn)濕都是一種非常重要的現(xiàn)象，具有特殊潤(rùn)濕性和可控潤(rùn)濕性材料一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，比如超疏水材料(接觸角大于150°)在窗戶和天線的防雪防霜，汽車擋風(fēng)玻璃的自清潔，以及生物細(xì)胞的活動(dòng)等領(lǐng)域已經(jīng)或者即將發(fā)揮極大的作用。作為一種經(jīng)濟(jì)適用并且環(huán)境友好的光電器件材料，非晶碳薄膜因其眾多優(yōu)良的特性而引起廣泛研究興趣。因此，輔之以特

2、殊的潤(rùn)濕性能，非晶碳薄膜必將發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。 本文采用磁控濺射系統(tǒng)在普通玻璃和單晶硅上獲得了具有不同表面形貌特征的非晶碳薄膜，此外利用等離子體表面處理系統(tǒng)，通過改進(jìn)工藝方法，優(yōu)化工藝條件，對(duì)非晶碳薄膜表面化學(xué)組成進(jìn)行調(diào)控，獲得了潤(rùn)濕性能從超親水到超疏水范圍變化的表面。系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)對(duì)非晶碳薄膜的表面結(jié)構(gòu)以及潤(rùn)濕性能的影響，此外還對(duì)非晶碳薄膜潤(rùn)濕性能的環(huán)境穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。 本論文的主要的研究工作進(jìn)展如下：1.通過調(diào)

3、控濺射工藝成功制備具有顯著差異的表面形貌的非晶碳薄膜，其表面特征為從光滑平坦過渡到具有豐富的孔隙和極其復(fù)雜的皺褶的分形結(jié)構(gòu)。而有趣的是，這種分形結(jié)構(gòu)非常類似于自然界中荷葉的表面微觀結(jié)構(gòu)，這是目前在碳薄膜中首次發(fā)現(xiàn)具有這樣特征的結(jié)構(gòu)。對(duì)具有不同表面特征薄膜的潤(rùn)濕性能測(cè)試表明：僅僅通過工藝的調(diào)控，形貌的改變就可以使非晶碳薄膜的表面從非常親水(接觸角為40°)到超疏水(接觸角為152°)大范圍的浮動(dòng)。 2.通過計(jì)盒分維法將不同形貌的薄

4、膜定量描述。隨著分形維數(shù)的增大，薄膜的表面具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，表面有更多和更精細(xì)的具有納米尺度的凹凸、皺褶和缺陷結(jié)構(gòu)，具有更大的吸附和容納氣體的能力，從而提高水滴薄膜表面的接觸角。其中當(dāng)沉積溫度為400°C的時(shí)候，具有類荷葉的表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的分維達(dá)到了2.59，而氣體所占的分?jǐn)?shù)為0.98。 3.通過對(duì)具有特殊形貌的非晶碳薄膜進(jìn)行CF4等離子體表面處理來調(diào)控其表面的潤(rùn)濕性能，優(yōu)化處理工藝極大提高非晶碳薄膜表面的疏水性能，原來為弱疏水

5、的表面(接觸角為105°)變?yōu)槌杷砻?，其接觸角達(dá)到了162°。而氟化后的類荷葉狀的表面與純水的接觸角達(dá)到168°，其接觸角的變化范圍為165°～171°。且在全pH(0～14)值范圍內(nèi)均展示了優(yōu)異的超疏水性能，此外氟化處理后的非晶碳薄膜的超疏水性能表現(xiàn)了良好的熱穩(wěn)定性和耐久性；通過對(duì)非晶碳薄膜Ar、N2、H2等離子處理能夠提高非晶碳薄膜的親水性能，其中通過H2、Ar等離子體處理具有類荷葉表面的非晶碳薄膜時(shí)，其表面達(dá)到了超親水性能，其