超疏水多孔硅的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超疏水多孔硅，特别是利用超短脉冲激光诱导硅表面的微纳结构。
技术背景
[0002]材料表面的润湿性能在最近几十年引起人们巨大而广泛的兴趣，由于其在人们的日常生活和工业生产中的巨大应用价值，尤其是具有超疏水结构的表面材料。首先，我们在自然界中荷叶上发现了超疏水性，这种超疏水性能具有自清洁作用，可以保持叶子表面不受灰尘污染，保持其光合作用的顺利进行，同时，我们也把这种现象称之为“荷叶效应”。由于这种超疏水性的诸多优点，人们尝试了多种方法制备这种具有超疏水性能的表面材料，例如，化学气相沉淀法，溶胶凝胶法，自旋涂法，化学合成法，等离子束法，静电纺丝法等等。近年来，在精细加工领域中，超短脉冲激光被广泛应用。这种新技术在微米尺度上具有很好的空间选择性，是一种在精细加工领域具有很大优势的技术。利用这种技术来制备具有不同润湿特性的表面材料具有巨大的应用背景。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种制备超疏水多孔硅结构的方法。不需要利用低表面能物质对材料表面进行处理，只利用超短脉冲激光和混合酸腐蚀制备超疏水多孔硅结构的方法。
[0004]—种超疏水多孔硅的制备方法，其特点在于，步骤如下:
[0005]I)超声处理:首先把双面抛光的晶向为(111)的单晶硅片用丙酮含量大于99.5%的丙酮溶剂进行超声处理五分钟，之后拿出来晾干；
[0006]2)脉冲激光扫描:经过超声处理的单晶硅片，放在计算机控制的三维移动平台上，所用的超短脉冲激光的脉冲宽度为10飞秒到10皮秒。利用聚焦系统把具有固定功率的超短脉冲激光聚焦到单晶硅表面，并且三维移动平台每次以固定的移动速率对单晶硅表面进行激光扫描，得到一系列相互平行，并且设定相邻之间具有相同间隔的微米沟槽，其中，在单次样品制备过程中超短脉冲激光的平均功率、扫描速率和相邻扫描线的间隔分别保持不变，在不同样品制备过程中，所述的激光的平均功率、扫描速度和相邻扫描线之间的间隔的设定范围分别为:5mff到200mW、1mm/s到20mm/s、5 μ m至丨J 30 μ m ；
[0007]3)混合酸处理:硝酸和氢氟酸在混合之前的浓度分别为68 %和40 %，并且在混合之前，硝酸与氢氟酸的体积比为2?3，蒸馏水与氢氟酸的体积比为3?6，混合好之后，在通风橱中，把用超短脉冲激光处理好的单晶硅片放在该混合酸溶液中，腐蚀的时间为60?120分钟;
[0008]4)从混合酸中取出样品用乙醇含量大于99.7%的无水乙醇冲洗干净，晾干，利用接触角测量仪测量其与蒸馏水珠的接触角，选出其中接触角大于150°的样品，再利用扫描电子显微镜从接触角大约150°的样品中挑选出表面具有微纳蜂窝形状的多孔单晶硅片。
[0009]本发明制备的具有超疏水性能的多孔娃材料具备以下优点:
[0010]利用聚焦系统把超短脉冲激光聚焦到材料表面，焦斑半径为几微米，能够实现超短脉冲激光加工在微米尺度的空间选择性，且热效应可以忽略不计，在材料作用周围产生很小的热损伤。
[0011]这种超短脉冲辐照后的样品经过混合酸腐蚀后，在其表面得到多孔硅结构，且这种具有多孔硅结构的单晶硅表面具有很强的疏水特性。
【具体实施方式】
[0012]下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但不应理解为本发明保护范围的限制。
[0013]实施例1:超疏水多孔硅的制备方法，包括下列步骤:
[0014]I)把双面抛光的，晶向为(I 11)，直径为50.4-51.2mm，厚度为325-375 μ m的硅片切割成Icm X Icm的小方块的单晶硅片，然后利用丙酮溶剂在超声池中清洗五分钟，除去表面的杂质，拿出来，晚干；
[0015]2)经过在超声池中处理的单晶硅片，固定在三维移动平台上，然后，将波长为800nm,重复频率为1kHz，脉冲宽度为120fs的飞秒脉冲激光经显微物镜聚焦到所述的单晶硅片表面，功率设定为5mW，扫描速率为lmm/s，聚焦物镜放大倍数为5，相邻扫描条纹之间的间隔为5μπι，得到了一系列相互平行的微米尺度的沟槽结构；
[0016]3)取3mL浓度为40 %的氢氟酸溶液，9mL浓度为68 %硝酸溶液，18mL蒸馈水，混合在一个小容器中制备混合酸溶液，然后将经飞秒脉冲激光处理的单晶硅片放在其中腐蚀，腐蚀的时间定为60分钟；
[0017]4)用镊子从混合酸中取出所述的单晶硅片，并用无水乙醇冲洗，晾干，利用接触角测量仪测量所述的单晶硅片与水的静态接触角为143°，实现了表面的亚超疏水性，并且经过扫描电子显微镜测量，选择得到其表面形成了类似蜂窝状的多孔结构的多孔硅晶片。
[0018]实施例2:超疏水多孔硅的制备方法，包括下列步骤:
[0019]I)把双面抛光的，晶向为(I 11)，直径为50.4-51.2mm，厚度为325-375 μ m的硅片切割成2cm X 2cm的小方块，然后利用丙酮溶剂在超声池中清洗五分钟，除去表面的杂质，拿出来，晾干；
[0020]2)经过在超声池中处理的单晶硅片，固定在三维移动平台上，然后，将波长为800nm,重复频率为200kHz，脉冲宽度为120fs的飞秒脉冲激光经过显微物镜聚焦到所述的单晶硅片表面，功率设定为5mW，扫描速率为lOmm/s，聚焦物镜放大倍数为10，相邻扫描条纹之间的间隔为5μπι，得到了一系列相互平行的沟槽结构；
[0021]3)取2mL浓度为40%的氢氟酸溶液，5mL浓度为68%硝酸溶液，1mL蒸馈水，置于一个小容器中制备混合酸溶液，然后将经脉冲激光处理的单晶硅片放在混合酸溶液中腐蚀，腐蚀的时间定为60分钟；
[0022]4)经过步骤3)混合酸腐蚀的单晶硅片，用镊子取出，并用无水乙醇冲洗，晾干，利用接触角测量仪测量其与水的静态接触角为150°，实现了表面的超疏水性，并且经过扫描电子显微镜测量，得到其表面形成了类似蜂窝状的多孔结构。
[0023]实施例3:超疏水多孔硅的制备方法，包括下列步骤:
[0024]I)把双面抛光的，晶向为(111)，直径为50.4-51.2mm,厚度为325-375 μm的硅片切割成3cm X 3cm的小方块，然后利用丙酮溶剂在超声池中清洗五分钟，除去表面的杂质，拿出来，晾干；
[0025]2)经过在超声池中处理的单晶硅片，固定在三维移动平台上，然后，波长为1064nm,重复频率为500kHz，脉冲宽度为1ps的皮秒脉冲激光经场镜聚焦到单晶硅表面，功率设定为5mW，通过振镜扫描，扫描速率为20mm/s，相邻扫描之间的间隔为5 μm，得到了一系列相互平行的沟槽结构；
[0026]3)制备混合酸溶液，取3mL浓度为40%的氢氟酸溶液，9mL浓度为68%硝酸溶液，ISmL蒸馏水，混合在一个小容器中，然后经脉冲激光处理的单晶硅片放在其中腐蚀，腐蚀的时间定为60分钟；
[0027]4)经过步骤3)混合酸腐蚀的单晶硅片，用镊子取出，并用无水乙醇冲洗，晾干，利用接触角测量仪测量其与水的静态接触角为155°，实现了表面的超疏水性能，并且经过扫描电子显微镜测量，得到其表面形成了类似蜂窝状的多孔结构。
[0028]实施例4:超疏水多孔硅的制备方法，包括下列步骤:
[0029]I)把双面抛光的，晶向为(111)，直径为50.4-51.2mm,厚度为325-375 μπι，的硅片切割成3cm X 3cm的小方块，然后利用丙酮溶剂在超声池中清洗五分钟，除去表面的杂质，拿出来，晾干；
[0030]2)经过在超声池中处理的单晶硅片，固定在三维移动平台上，然后，波长为800nm,重复频率为1kHz，脉冲宽度为120fs的飞秒脉冲激经显微物镜聚焦到单晶硅表面，功率设定为100mW，扫描速率为20mm/s，聚焦物镜放大倍数为5，相邻扫描之间的间隔为5 ym,得到了一系列相互平行的沟槽结构；
[0031]3)制备混合酸溶液，取3mL浓度为40%的氢氟酸溶液，9mL浓度为68%硝酸溶液，ISmL蒸馏水，混合在一个小容器中，然后经脉冲激光处理的单晶硅片放在其中腐蚀，腐蚀的时间定为100分钟；
[0032]4)经过步骤3)混合酸腐蚀的单晶硅片，用镊子取出，并用无水乙醇冲洗，晾干，利用接触角测量仪测量其与水的静态接触角为151°，实现了表面的超疏水性能，并且经过扫描电子显微镜测量，得到其表