[发明专利]一种透明超疏水纳米阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种透明超疏水纳米阵列制备方法。

背景技术

ZnO作为Ⅱ-Ⅵ族具有纤锌矿结构的直接宽带隙(3.37eV，300K)化合物半导体材料，因其优异的理化性能，如极高的弹性模量、极低的热膨胀系数、高的热稳定性、大的激子束缚能及负的电子亲合能等，在传感器、UV发射、光电转换、超疏水界面、光催化和发光二极管等诸多领域具有潜在的应用，近年来，受到了世界范围的高度关注。目前，在已经制备成功的众多基于ZnO的微结构材料中，一维纳米结构阵列材料如ZnO纳米线阵列、纳米棒阵列、纳米管阵列、纳米针阵列、纳米锥阵列等，因具有非迁移性、高透明性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力、光催化、亲水亲油性、杀菌等特殊性质，而倍受研究者的青睐。

迄今为止，ZnO一维纳米结构材料的制备方法主要有：模板辅助生长法、金属有机气相外延法(MOVPE)、脉冲激光沉积法(PLD)、化学气相沉积法(CVD)、电化学气相沉积法和湿化学法等。其中，模板辅助生长法、MOVPE、PLD、CVD等方法，需要昂贵的仪器设备和苛刻的工艺条件，难以进行规模化工业生产；湿化学法所需反应温度较低(与气相法相比)、操作简单，适合大规模生产。

湿化学法一般包括两个步骤，首先在基底上制备氧化锌晶种层，然后将带有晶种层的基底倒扣放入盛有生长液中的密闭容器中保温一段时间，该制备过程的关键就是晶种层制备和生长液反应，其中晶种层制备目前较为常用的方法分别是匀胶法和磁控溅射法，上述两种制备方法在晶种层制备过程中均需要200～300℃以上反应温度。如申请号为200710119511.5的中国专利公开了“一种大面积纳米氧化锌定向阵列的制备方法”，该方法利用热蒸镀和磁控溅射的方法经300～600℃，10～60分钟烧结，在基底上制备一层氧化锌晶种层，然后利用水热法在50～200℃合成纳米氧化锌阵列；申请号为201210536195.2的中国专利公开了一种“生长氧化锌纳米阵列的制备方法”，该方法利用磁控溅射的方法，经300～600℃，1～10小时退火在基底上制备一层氧化锌晶种层，然后在溶液中60～90℃，10分钟生长出氧化锌纳米阵列。虽然，制备工艺简单、成本低廉，但是无法满足目前大面积制备氧化锌纳米阵列的需求，特别是针对形状复杂的基底。

为适应复杂多变的环境，通过亿万年的进化、修复和完善，许多动植物表面形成了超浸润性，对水滴运动与脱附可以实现方向性操控，以便得以生存。固体表面超疏水性(接触角>150°，滚动角<10°)是十分常见但又非常特殊的一类超浸润现象，影响着自然界中多种动植物的生命活动，如超疏水自清洁的荷叶、超疏水高负载的水黾腿、超疏水防起雾的蚊子眼等。研究表明，这些生物体表面每平方毫米数以百万计的多尺度有机微纳结构的规则性几何排列，被认为对超疏水性的形成起到了关键作用。以此为启发，通过在材料表面仿生构建粗糙结构，并进行低表面能材料改性，或直接在低表面能材料表面构建粗糙结构，即可获得超疏水性。这种表面具有与荷叶等相似的自洁、抗污等特性，同时也被发现可可延缓露和霜的形核，并抑制生长，即具有抗露和防霜特性。

建筑玻璃外墙、汽车挡风玻璃、太阳能电池面板等表面易污染，结露或结霜，影响了基材的透明性和使用性能。目前，虽然已有诸多办法能够制备出透明超疏水表面，例如溶胶-凝胶法、涂料喷涂法、光刻法、纳米压印法等，但尚未有研究报道这种表面的结露或结霜特性如何，这也就限制了该技术在上述透明基材表面的应用。研究发现，超疏水表面普通水滴只润湿粗糙结构顶部(传热效率低)，界面大部分为空气(热阻大)，呈Cassie复合态接触；但结露或结霜条件下，小尺度(～10μm直径)液滴和霜晶易在尺寸相对较大的微米结构间隙形核、生长，使热力学不稳定的Cassie态转变成能量更低的Wenzel润湿态，显著增加仿生超疏水表面的粘附性，露和霜难以脱附。因此，提高Cassie态热力学稳定性，使超疏水表面小尺度液滴易于脱附，对抗露、防霜特性的发挥至关重要。