[发明专利]硅基表面氧化碳纳米管自组装复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化碳纳米管复合薄膜的制备方法，尤其涉及一种在硅片表面制备硅基氧化碳纳米管复合薄膜的方法；属于薄膜制备技术领域。

背景技术

微机电系统（MEMS）是指将机构及其驱动器、传感器等集成在很小的硅片上，因而获得完备的微机械电子性能。微机械系统的尺寸为毫米级，构件之间的间隙尺度为纳米级甚至为零间隙。在相对运动过程中，由于尺寸效应及表面效应的影响，构件之间的摩擦、粘着等问题日显突出，成为影响微机械系统的稳定性的重要因素。减小相对运动副之间的摩擦磨损，将会有效减小摩擦副表面之间的粘着力和构件的启动应力，是提高MEMS系统稳定运行的有效途径。MEMS的制造材料主要为单晶硅和多晶硅，因此，有关硅材料在纳米摩擦学中的研究已经成为国内外摩擦学领域的热点课题。

增强MEMS系统零部件的表面特性是提高MEMS系统微摩擦性能的主要手段，目前国内外运用较多的是固体润滑薄膜如类金刚石碳薄膜、碳化硅薄膜，以及分子超薄润滑膜如LB膜和自组装膜（SAM）。相比较几种表面改性方法，自组装薄膜由于其具有较高的有序性和取向性，以及方便灵活的分子设计而获得不同的结构和物化性能，为研究MEMS机构的表面特性和摩擦学性能提供了有效的途径。同时，国内外学者研究发现有机薄膜作为润滑薄膜也存在许多缺点：有机分子与基体之间的结合力比较弱，其抗磨损性能不好；有机分子的分子链较长，使薄膜表面粗糙度较大；有机分子链具有的柔性导致较大载荷下，其没有足够驰豫时间。因此对于微机械表面润滑薄膜的开发和应用还需要做进一步深入的研究。

经文献检索发现，公开号为CN101036910A的专利申请公开了“多晶硅表面磷酸基硅烷-碳纳米管复合薄膜的制备方法”，该方法利用磷酸对氨基硅烷表面进行了磷酸化处理，进而使用稀土溶液处理碳纳米管，最后获得多晶硅表面磷酸基硅烷与碳纳米管复合薄膜。该方法提高了多晶硅表面的摩擦磨损性。但是处理方法的工艺过程复杂，而且稀土处理碳纳米管未能较好地提高碳纳米管的活性，难以提高碳纳米管与基体之间的界面结合力，影响了碳纳米管对摩擦学性能的进一步发挥。迄今为止，还未发现有将碳纳米管进行氧化处理后制备成薄膜来提高硅基表面摩擦磨损性能的报道。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺较为简单的硅基表面制备碳纳米管复合薄膜的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种硅基表面氧化碳纳米管自组装复合薄膜的制备方法。具体地，本发明的制备方法是在硅片表面制备氨基硅烷-氧化碳纳米管复合薄膜，该方法可以提高碳纳米管和硅基表面的界面结合力，从而提高了硅基薄膜的摩擦磨损性能；本发明方法制得的复合薄膜可用于微机械系统零件表面的处理。

本发明的制备方法是先对硅片进行表面清洗并进行羟基化处理，然后将其作为基底材料，再在其表面自组装氨基硅烷；最后将所得基片放入经强酸处理的碳纳米管分散液中，在其表面制备氧化碳纳米管复合薄膜。

本发明制备硅基表面氧化碳纳米管自组装复合薄膜的具体方法，包括以下步骤：

（1）先将抛光的硅片进行清洗，干燥，然后在Piranha溶液中浸泡；取出后用水清洗，烘干；再上述将单晶硅片放入氨基硅烷溶液中进行间断超声处理，取出后清洗，干燥，得到硅基表面带有氨基硅烷薄膜硅片。

（2）将碳纳米管加入到浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，再将混合物放入烘箱中烘干；将所得溶液用去离心水反复洗至中性，得到均相的表面带有丰富羧基的碳纳米管溶液。

（3）将步骤（1）所得硅片置于步骤（2）的碳纳米管溶液中，在50～70℃条件下进行密封反应，取出后清洗，吹干，得到表面自组装带有碳纳米管复合薄膜的硅片；然后将所得硅片进行煅烧，得到还原的碳纳米管复合薄膜。

其中，步骤（1）所选用的硅片优选为单晶硅或多晶硅；所制备的复合薄膜表面为抛光表面。

步骤（2）所述的碳纳米管优选为单壁或多壁碳纳米管。

在本发明的较佳实施方式中，步骤（1）所述的氨基硅烷溶液为3-氨基丙基-三乙氧基硅烷（APTES）；优选地，其浓度为0.4～0.6mmol/L，溶剂为乙醇。

在本发明的具体实施方式中，步骤（1）所述间断超声处理优选为在1小时内按照20分钟超声3分钟的频率进行。

在本发明的另一较佳实施方式中，步骤（2）所述的浓硫酸和浓硝酸混合溶液按照体积比H₂SO₄∶HNO₃=3：1配置，所得碳纳米管溶液为0.1～0.2mg/mL。