PDF《单晶硅表面稀土复合纳米膜的制备与摩擦特性》

第29 卷第3期 摩擦学学报Vol .

29 No.

3 2009 年5月Tribology May,

2009 单晶硅表面稀土复合纳米膜的制备与摩擦特性 周华1,

2 ,亓永2,程先华

2 (1. 上海师范大学 机械与电子工程学院 ,上海 201418;

2. 上海交通大学 机械与动力工程学院 ,上海 200240) 摘要:利用分子自组装技术 ,在单晶硅表面制备了稀土复合纳米自组装膜. 运用原子力显微镜 (AFM)观察了薄膜 的表面形貌 ,使用 X射线光电子能谱仪 (XPS)分析了薄膜表面典型元素的化学状态 ,并运用静 - 动摩擦系数测定仪 评价了薄膜的摩擦磨损性能. 研究结果表明 :通过硅烷偶联剂

3 - 巯丙基三甲氧基硅烷 (MPTS)的磺酸基化学吸附 功能 ,稀土元素可以成功组装到氧化后的硅烷化表面. 当组装稀土复合膜后 ,基片表面的摩擦系数由无膜时的 0.

8 降到了 0. 08,表明复合膜可以降低基片的摩擦系数 ,并且在较低载荷下具有较好的耐磨性能. 关键词 :

3 - 巯丙基三甲氧基硅烷 ;

稀土 ;

自组装纳米膜 ;

摩擦磨损性能 中图分类号 : TH117.

1 文献标识码 : A 文章编号 :

1004 -

0595 (2009)

03 -

0210 -

05 80年代中后期兴起的微电子机械系统 (m icro - electro - mechanical system: MEMS) 或称微型机械 (m icromachine) ,具有体积小、 质量轻、 能耗低、 集成 度和智能化程度高等特点 [

1 ] . 由于 MEMS结构尺寸 微型化以后 ,构件间的间隙处在纳米量级 ,摩擦和黏 着等摩擦学问题严重影响了 MEMS的可靠性 [

2 -

3 ] . 近20年来发展起来的分子有序薄膜润滑技术为解 决这个问题提供了有效途径 ,分子自组装膜 ( SAM ) 通过化学键与基底结合 , 与LB 膜相比结构致密、 稳 定性高 , 且具有高度有序性和取向性 ,在微型机械 润滑和磨损防护方面具有广泛的应用前景 [

4 ] . 国内 外学者针对这一领域开展了大量的研究工作 ,取得 了很多研究成果 [

5 -

8 ] . 通过对 SAM 方便灵活的分子 设计可获得不同结构及物理化学性能的表面 ,从分 子原子水平研究超薄膜的结构与摩擦学性能的关 系. 利用分子自组装技术 ,将化合物分子通过某种作 用嫁接到摩擦表面 ,形成 "分子刷 "以降低摩擦磨 损 ,可以实现超薄膜润滑. 稀土 ( rare earth, RE)因其特殊的电子结构 ( -

4 f

0 -

14 ) 而具有独特的物理化学性能 [

9 ] ,在表面工 程领域有着广泛应用 [

10 -

11 ] ,但在基底表面以纳米润 滑膜的形式改善摩擦学性能的报道甚少. 本文在单 晶硅表面制备了稀土复合纳米薄膜 ,并研究了干摩 擦条件下薄膜与 GCr15钢配副时的摩擦磨损性能.

1 实验部分 1.

1 试剂及材料 以单晶硅片 Si(111)为基体 ,电阻率在 01010~ 01015Ω ・ cm 之间,3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)由Sigma - A ldrich公司生产 ,w = 0. 99,分子 式为 HS(CH2 )

3 Si(OCH3 ) 3. 丙酮、 甲苯、 浓硫酸和双 氧水均为 AR 级 ,由上海联试化工试剂有限公司生 产. 去离子水由实验室自制 ,电阻率为 16. 8M Ω・cm. 丙酮、 甲醇、 乙醇、 双氧水、 氯化镧等均为分析纯. 1.

2 稀土复合薄膜的制备与表征 将硅片切割成 0.

5 cm * 0.

5 cm的正方形 ,然后 按以下步骤处理 : ①分别用氯仿、 丙酮、 去离子水超 声清洗

2 m in,以除去表面的有机杂质 ;

② 用Pirahan (H2 SO4 ∶H2 O2 = 70∶30 ,V /V ) 溶液对单晶硅进行 羟基化处理

30 m in后洗净 ,并在高纯氮气下干燥 , 水在羟基化处理单晶硅片表面的接触角 ≤1° ,表明 其表面羟基化比较完全 ;

③ 取经过蒸馏处理的苯为 溶剂 ,配制 0.

5 mmol/L硅烷溶液. 将羟基化处理的 单晶硅基片迅速浸入硅烷 /苯溶液中并浸泡

30 m in, 取出后分别用氯仿、 丙酮、 去离子水洗涤 ,用高浓度 氮 气吹干后 ,将其放入烘箱在

120 ℃ 下热处理

1 h, 收稿日期 :

2008 -

09 - 11;

修回日期 :

2009 -

03 - 11;

联系人 :程先华 , e - mail: xhcheng@ sjtu. edu. cn 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50775139, 50475023). 作者简介 :程先华 (1961 - ) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,目前主要从事表面工程及摩擦学的研究. 即获得稳定的MPTS 自组装分子膜(MPTS - SAM s) ;

④ 将制备了巯基硅烷薄膜的基片置入 30% 的硝酸中在

80 ℃ 下反应

120 m in后 ,取出后用大量 去离子水冲洗 ,并在高纯氮气下干燥 ,从而获得磺酸 化MPTS - SAM s表面 ;

⑤ 将经过上述处理的基片放 入预先配好的稀土溶液中 (有EDTA, LaCl3 等 )中 , 浸泡

24 h后取出 ,依次用乙醇、 去离子水洗净 ,并在 高纯氮气下干燥 ,即可制得稀土纳米复合薄膜. 用德国 Dataphysics公司生产 OCA - 20型视频 光学接触角测定仪测定去离子水在薄膜表面的接触 角 ,以接触角随反应时间的变化关系来表征成膜速 率. 用PH I - 5702型 X射线光电子能谱仪 (XPS)表 征自组装薄膜表面典型元素的化学状态 ,采用 Mg - Ka激发源 ,通过能量约为 29.

4 eV,以污染碳的结合 能284.

6 eV 作为内标. 采用 Nanoscope - Ⅲ型原子 力显微镜 (AFM) ,以 "接触 "模式分析自组装单层膜 的表面形貌. 运用 DF - PM 型 (日本协和科学株式 会社 )静-动摩擦系数精密测定仪测定薄膜的摩擦 磨损性能 ,试验选用载荷为 0.

5 N,单向滑动距离为

6 mm,偶件采用