[发明专利]一种仿生微纳结构多孔硅超疏水表面的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生微纳结构多孔硅超疏水表面的制备方法，特别涉及一种通过电化学刻蚀和有机分子修饰制备仿生微纳结构超疏水硅表面的方法。

背景技术

超疏水表面是指水接触角θ≥150^o的表面，它是一种源于“荷叶效应”的仿生功能表面。作为一种在自清洁、防腐蚀、抗氧化等方面具有巨大发展潜力的功能表面，超疏水表面的应用技术研究和开发自然备受关注。而半导体硅在微电子机械系统、微流体器件、生物传感器、生物芯片和科学研究中有广泛的应用，如果能将硅的化学惰性和表面超疏水结合这对于相关领域的发展很重要。比如，在生物芯片中超疏水表面的应用更加有利于实现对液体微滴的精确控制，减少交叉污染。

硅基超疏水表面的制备方法通常是通过仿生微纳结构的构建与低表面能物质的修饰结合而实现的，其中仿生微纳结构的构建主要有两种途径：纳米材料的制备方法和光刻技术。由于超疏水表面的原型荷叶中存在纳米结构，而相关研究证明微纳结构的二元协同效应是其具有超疏水性能的关键因数，因此纳米材料制备方法成为超疏水表面制备的一种途径，比如化学气相沉积法、模板法、溶胶凝胶法、水热法等等。光刻技术在半导体硅基微电子机械系统制备中广泛应用，许多复杂的微米、纳米结构都可以通过这种技术来实现。但是这两种方法都有一个共同的缺点：不能在一个过程中同时制备微米、纳米两种结构，而且存在成本高、效率低、过程复杂的特点。至于低表面能物质的修饰主要是通过有机分子自组装来实现，这是一种比较成熟的表面改性手段。因此找到一种简单的、一步实现仿生微纳结构制备的方法，并且能够与有机分子表面修饰相结合实现超疏水表面制备，对于超疏水功能表面的应用很重要、很迫切。

现阶段，硅基仿生微纳结构超疏水表面的发明专利申请较少，截止2012.12查到的只有以下五篇：1. CN 102167280A；2. CN 101249963A；3. CN 101249964A；4. CN 101407648A；5. CN 101817980A。在这五个专利中，专利1是关于硅基仿生微纳结构超疏水表面制备的发明专利，与本专利密切相关；专利2-5是关于二氧化硅粉末或者胶体超疏水薄膜的发明专利，与本专利所述硅基超疏水表面的制备相去甚远，而且所获得表面只有一种纳米结构。专利1包括两个步骤：光刻技术制备微米柱状结构，金属催化腐蚀制备纳米线结构；所用光刻技术成本较高、复杂、费时，同时获得的超疏水表面没有经过表面修饰，在空气中容易自然氧化成为亲水表面。而本专利所提到的方法是通过简单的电化学刻蚀一步制备仿生微纳结构，然后结合后续有机分子修饰获得仿生微纳结构超疏水硅表面的，而且通过这种方法获得超疏水表面可以在腐蚀性介质（生物体液、细胞培养液等介质）中稳定使用。

发明内容

本发明目的是在于提供一种仿生微纳结构多孔硅超疏水表面的制备方法。

本发明首先采用电化学刻蚀法在单晶硅表面制备多孔硅仿生微纳结构表面，然后通过有机分子修饰获得仿生微纳结构超疏水多孔硅表面。

一种仿生微纳结构多孔硅超疏水表面的制备方法，其特征在于该方法步骤为：

1）将N型（100）单晶硅在丙酮中超声清洗，然后固定到一个方形的聚四氟乙烯（PTFE）电解槽的侧面孔中，加入氢氟酸（HF）乙醇溶液，以硅片为阳极石墨为阴极，在紫外光背光照射条件下进行电化学刻蚀；

2）所获得的多孔硅薄膜经过乙醇清洗、氮气吹干后获得多孔硅仿生微纳结构表面；

3）在有机分子修饰之前，将所获得的多孔硅仿生微纳结构表面通过如下两种方法进行前处理：表面羟基化，Si-OH，浓硫酸和双氧水混合溶液中加热浸泡；氢化，Si-H，5%HF浸泡；

4）将所获得的羟基化或者氢化多孔硅仿生微纳结构表面放入相应的有机分子溶液体系中进行表面修饰，获得仿生微纳结构多孔硅超疏水表面；

羟基化表面的表面修饰：

a.直接修饰：硅烷R-SiX₃（R=C_nH_2n+1，n=8、9、10…20，X=Cl，OCH₃，OC₂H₅）的甲苯(X=Cl)或乙醇(X= OCH₃，OC₂H₅)溶液；