一种超亲/超滑区域分布的硅基表面及其制备方法与流程

本发明属于表面处理，尤其涉及一种超亲/超滑区域分布的硅基表面及其制备方法。

背景技术：

1、随着淡水资源被污染而日渐短缺，从其他途径获取可供人类使用的淡水资源变的尤其重要，一直以来海水淡化技术被广泛应用于世界上的干旱地区。然而，海水淡化由于环境条件限制以及昂贵的成本让很多地区难以从中受益。为了应付为日益增长的人口和经济活动提供清洁水的挑战，必须设计出适用性广泛、装置简单和成本低廉的淡水收集装置。众所周知，雾是一种潜在而丰富的水资源，可以利用现有的技术从周围环境中获取。因此，人们就提出利用雾收集技术作为干旱和半干旱地区收集水的一种方法。从潮湿的空气中收集水包括许多重要的过程：传热，水传输，水收集，水清除。对于露水采集来说，水收集环节尤其具有挑战性，因为在最需要这种系统的环境中，水是稀缺的。露珠对干旱气候下的动植物具有至关重要的意义，而且越来越多的露珠被收集起来供人类使用。只有通过精心设计表面性能才能使捕获率最大化从空气中捕获水分。理想表面有利于水从潮湿空气中凝结以及让凝结的水滴快速输运至收集器。根据volmer的形核理论，液滴在亲水表面的形核速度应该是较快的。但是一旦到达那里，液滴就不会滑动，直到它们长大到其重力足以克服毛细管力。该阻力的大小随接触角、滞后角和液固接触面积的增大而增大。在固定液滴尺寸下，亲水表面的液固接触面积较大。因此，液滴必须达到更大的临界质量才能开始在亲水表面上移动，这可能会抵消更快的成核速度。超滑的表面在一定程度克服了亲水以及滞后的影响但是由于水滴的各向同性无法控制液滴的输运方向。最近几年国内外出现了许多人工制备仿生表面的方法，但这些方法大多存在一些缺点，如所需设备昂贵、工艺复杂不易控制、材料不环保等。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种超亲/超滑区域分布的硅基表面及其制备方法，通过将光刻和化学刻蚀相结合构建微纳结构，再通过在表面镀阻挡层，最后浸润润滑油洗去阻挡层制备出用于集水的超亲/超滑区域分布表面。

2、本发明的第一个目的是提供一种超亲/超滑区域分布的硅基表面的制备方法，包括以下步骤，

3、(1)在硅基底表面旋涂光刻胶，光刻后进行银辅助化学刻蚀处理，得到具有条纹状微米级粗糙结构的样品；

4、(2)对步骤(1)所述的具有条纹状微米级粗糙结构的样品再次进行银辅助化学刻蚀处理，在微米级粗糙结构基础上增加纳米线结构，得到具有微纳复合结构的样品；

5、(3)在步骤(2)所述的具有微纳复合结构的样品表面再次旋涂光刻胶，通过磁控溅射技术在样品的凹处条纹表面镀银，得到具有阻挡层及微纳复合结构的样品；

6、(4)在步骤(3)所述的具有阻挡层及微纳复合结构的样品表面浸润润滑油，酸洗得到所述超亲/超滑区域分布的硅基表面。

7、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述硅基为单一晶向的单面抛光的光滑表面。

8、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述条纹状微米级粗糙结构的条纹宽度为100μm-800μm。

9、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述光刻胶的旋涂转速为2000r/min-5000r/min，干燥温度为80℃-120℃，干燥时间为1min-2min。

10、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述光刻的紫外曝光时间为10s-20s，显影时间为1min-2min。光刻以及光刻胶会在硅基底表面留下一层矩形条纹阵列，未曝光与曝光部分宽度长度均相同。

11、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述银辅助化学刻蚀处理包括沉积处理和刻蚀处理；所述沉积处理采用的沉积液为硝酸银、氢氟酸和水的混合溶液；所述硝酸银和氢氟酸的摩尔比为0.5-1：4.8；所述刻蚀处理采用的刻蚀液是为过氧化氢、氢氟酸和水的混合溶液；所述过氧化氢和氢氟酸的摩尔比为0.1-0.5：4.8。改变沉积液的浓度以及沉积时间可以在一定范围内自由调控沉积银的厚度，改变刻蚀液的浓度以及刻蚀时间可以自由调控微米条纹的深度。

12、在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述银辅助化学刻蚀处理包括沉积处理和刻蚀处理；所述沉积处理采用的沉积液为硝酸银、氢氟酸和水的混合溶液；所述硝酸银和氢氟酸的摩尔比为0.1-0.5：4.8；所述刻蚀处理采用的刻蚀液是为过氧化氢、氢氟酸和水的混合溶液；所述过氧化氢和氢氟酸的摩尔比为0.1-0.5：4.8。由于纳米线的存在以及刻蚀后表面拥有亲水基团，样品呈现超亲水状态。另外刻蚀后纳米线的结构使得润滑剂更容易留存，而不易流失。

13、在本发明的一个实施例中，所述沉积处理的时间为30s-70s，以在样品表面形成一定密度分布地ag颗粒，有利于下一步化学刻蚀；所述刻蚀处理的时间为10min-30min，以便形成一定深度的沟槽。

14、在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述磁控溅射技术的参数条件为：腔体气压为0.5pa-1.5pa，射频功率为30w-50w，氮气流量为3ml/min-5ml/min，溅射时间为5min-20min。以形成一定厚度、致密的ag阻挡层，以便下一步浸润润滑剂。

15、在本发明的一个实施例中，在步骤(4)中，所述润滑油为硅油、含氟聚醚油和杜邦油中的一种或多种。

16、在本发明的一个实施例中，在步骤(4)中，所述酸洗采用浓度为30wt％-50wt％硝酸溶液，以去除表面的银薄膜阻挡层然后去离子水冲洗，洗去部分为超亲水区域。

17、本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备的超亲/超滑区域分布的硅基表面，所述超亲/超滑区域分布的硅基表面包括：硅基、设置在所述硅基表面的微米级条纹状粗糙结构以及分布于条纹结构上的纳米线粗糙结构。

18、本发明的第三个目的是提供一种所述超亲/超滑区域分布的硅基表面在雾水收集、海水淡化中的应用。

19、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

20、(1)本发明所述的制备方法通过光刻和化学刻蚀相结合的方法在硅基底上制备出条纹宽度、深度可自由调控的微纳复合结构。再次光刻后在其上磁控溅射一层银阻挡层，旋涂润滑剂，可有选择的控制润滑剂浸润区域，与未浸润区域形成超亲、超滑相间隔的区域化分布表面。

21、(2)本发明所述的制备方法为银辅助湿法化学刻蚀方法，受猪笼草以及纳米沙漠甲虫启发，在单晶硅衬底上制备出用于雾采集的亲水超滑图案。单晶硅的导热系数为～149w/m k，是具有高导热系数的非金属材料。雾水收集是通过冷凝进行的，硅基底的高导热系数有利于热传导，从而提高雾收集的效率。同时亲水性超滑表面由于沟槽的存在能精确引导水滴运动，超亲超滑相间的条纹结构存在拉普拉斯压力差，适合于雾采期间高效输送和收集水。

22、(3)本发明所述的超亲/超滑区域分布的硅基表面具有优良地亲水性和超滑特性，超亲水表面具有液滴快速成核及输运地特点，超滑表面具有较小的滞后角。两者结合所得区域分布表面由于拉普拉斯压力差以及条纹结构的存在能够快速地收集以及输运雾气中的水。

23、(4)本发明所述的超亲/超滑区域分布的硅基表面在实际应用过程中液滴在条纹图案上的界面是复合的，包括液滴-条纹界面和液滴-润滑剂界面。当液滴沿条纹滑动时，需要克服条纹上液滴-水界面和周围滑移片上液滴-润滑剂界面处的粘性力，由于液滴滑动速度较低，粘性力可以忽略，这使得液滴很容易沿着条纹滑动。然而，液滴必须打破来自于条纹的液滴-水界面表面张力，才能沿垂直于条纹的方向滑动。液滴呈拉长状，这表明液滴在毛细力作用下倾向于沿条纹扩散，而在条纹形成的能垒作用下则倾向于垂直约束。液滴在表面的平行接触角和垂直接触角分别为32°和82°，表明静态接触角各向异性明显。在灌注润滑剂的超滑区域上成核的液滴由于拉普拉斯压差的作用，一旦接触到滑移面上，凝析液就会在重力作用下汇聚并排出，从而转移到超亲水图案上。