纳米阵列图案表面浸润性研究

【摘要】液体在微纳米尺度下的浸润行为,近年来受到微流控,仿生学,表面涂层,防雾,雾水收集,喷墨打印,生物传感器等基础科学和应用技术方面的持续关注。这一研究需要一种同时具有高时间分辨率和高空间分辨率的液体形貌观测方法。扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)虽然具有很高的空间分辨率,但SEM的高真空观测环境和AFM较长时间的成像过程都会使因液体挥发而引起的形貌失真问题变得很严重。基于这一背景,本论文提出了一种利用紫外光固化技术研究微纳米尺度紫外光固化材料液体浸润行为的方法。丙烯酸酯液体通过双转移方法转移到纳米结构的表面,接着用紫外光将液体冻结(固化)。由于紫外交联固化过程中,丙烯酸酯液体的体积收缩率只有几个百分点而不会对液体形貌有较大影响,所以固化的紫外光固化材料形貌能够真实地反映出液体的浸润形貌。固化的形貌可以通过扫描电子显微镜和原子力显微镜进行观测。利用这种方法可以观测到极限分辨率达到20纳米以下的各种微纳米液体浸润形貌,其中包括：纳米沟槽之间的凹液面,覆盖数个沟槽的液桥等。基于这些观测,本文发现：液体的浸润行为与纳米结构的表面能和几何参数有密切关系：液体的本征浸润性越差,纳米结构的深宽比越小,液体越容易退缩成液滴。实验结果与自由能模型的预测相吻合。这说明用于宏观尺度液体浸润行为预测的自由能模型在100纳米尺度依然适用。基于这些研究,本文还得出了实现了无残余层紫外纳米压印所需的条件,并利用软模板的紫外纳米压印技术制备了具有超小线宽的纳米环阵列结构。紫外固化冻结液体的方法也被用于微纳米冷凝水滴在纳米结构上浸润行为的研究。利用与水不相溶的丙烯酸酯液体包裹在纳米结构上冷凝的微纳米水滴,再对其进行紫外固化,然后将固化的材料与纳米结构分离,固化材料中的水滴蒸发后,冷凝水滴在纳米结构上的浸润形貌以孔洞的形式反应在固化的丙烯酸酯材料中。冻结的形貌可以通过扫描电子显微镜进行观测。利用这种方法,本文研究了不同纳米阵列上,不同极性紫外光固化材料包裹液体环境下冷凝水滴的浸润行为。研究表明,水滴采取Wenzel还是Cassie-Baxter类型的浸润与纳米阵列的结构参数,表面能,包裹液体的表面张力等有关：包裹水滴的紫外光固化材料液体表面张力越大,水滴在纳米沟槽阵列表面表现出的浸润各向异性越明显。而固体表面越疏水,纳米阵列结构的深宽比越大,越有利于水滴形成Cassie-Baxter类型的浸润。实验结果验证了自由能模型的预测。这一研究对于设计高性能的超疏水表面很有意义。近年来,具有自清洁功能的超疏水表面也受到人们的持续关注。它在防雾,自清洁,油水分离等方面有着重要的应用。鉴于此,本文以纳米阵列表面冷凝水滴浸润性研究为基础,利用包括纳米压印在内的微纳加工技术分别在硅衬底和含氟聚合物表面制备出了超疏水表面。研究表明：硅衬底上的超疏水表面水滴的静态接触角为158.3。而滚动角小于5。。这是硅表面高深宽比且顶部尖劈纳米沟槽阵列与氟硅烷修饰的低表面能共同作用的结果。而这种纳米阵列结构同时还具有很好的宽光谱抗反射效果,可应用于制造具有自清洁效果的高效硅基太阳能电池。在含氟聚合物表面,本文成功验证了通过合理的结构设计,采用一步热纳米压印的方法在含氟聚合物薄膜上制备接触角为151.2。的超疏水表面。一步热纳米压印的方法具有低成本,高效率,制备面积大等优点,在聚合物超疏水表面制备方面具有广泛的应用前景。电润湿,也叫电致亲水效应,是指导电液体的接触角在通电状态下变小的现象。电润湿效应被越来越多地用于微流控器件,液体微透镜,彩色显示器等方面。然而,在纳米阵列图案上的电润湿研究却很少。另一方面,纳米压印作为一种快速、低成本、大面积、高分辨率的表面纳米结构的制备工艺受到越来越密切的关注。在这种背景下,本文将这种一步热纳米压印的方法应用于含氟聚合物纳米阵列表面电浸润行为的研究。利用这种方法,本文研究了不同结构参数的纳米阵列表面的电浸润性质。实验结果表明：在相同电压下具有纳米阵列的表面都比光滑的含氟聚合物表面具有更大的接触角变化,而其中具有超疏水性能的高深宽比的纳米柱阵列则具有相同电压下最大的接触角变化。对于电润湿中聚合物膜被击穿的问题,本文采用高介电常数材料氮化硅来解决,并得到了很好的电润湿恢复性和重复性。本文还将电浸润与紫外光固化液体冻结技术结合,观测并证实了微米的紫外光固化材料液滴在水中也存在电浸润的现象。这些研究结果有助于制备小尺寸,低驱动电压,高响应性,持久耐用的电浸润器件。
【作者】边捷；
【导师】陈延峰；葛海雄；
【作者基本信息】南京大学，材料物理与化学，2014，博士
【关键词】纳米压印；紫外光固化；微纳米液滴；超疏水表面；电润湿；双转移法；

【参考文献】
[1]张婧.安欣客户关系管理系统的设计与实现[D].西安电子科技大学,计算机技术,2010,硕士.
[2]韩二飞.皖北地区城市水环境规划与城市规划融合的研究[D].安徽建筑大学,城市规划与设计,2011,硕士.
[3]张子骞,杨会林,颜云辉,陈开义,沈国强.连铸拉矫机动态等负荷分配控制系统的开发与参数优化[J].冶金自动化,2010,05:35-40.
[4]屈万新.基于推拉力分析视角的古镇旅游研究[D].湖南师范大学,人文地理学,2013,硕士.
[5]石厚礼.冀东金矿集区地球化学特征与勘查标志[D].吉林大学,地球探测与信息技术,2014,硕士.
[6]王雪青.静心制动方治疗抽动障碍疗效观察及与神经递质的相关研究[D].北京中医药大学,中医学,2013,硕士.
[7]叶夫根尼.汉俄语言中称谓的比较研究[D].河北大学,汉语国际教育（专业学位）,2014,硕士.
[8]吴尚华.船舶拉锚试验仿真系统研究[D].江苏科技大学,轮机工程,2013,硕士.
[9]汤萌萌.基于低影响开发理念的绿地系统规划方法与应用研究[D].清华大学,环境工程（专业学位）,2012,硕士.
[10]孙青.典型除草剂对稻麦轮作系统温室气体排放的影响[D].南京农业大学,环境科学,2012,硕士.
[11]权改革.无烟煤基炭阳极氧化特性及其原料特性的研究[D].中国矿业大学,材料加工工程,2014,硕士.
[12]张朋朋.基于图像处理的级配碎石级配检测研究[D].西南交通大学,计算机技术,2013,硕士.
[13]陈波.桃红四物汤加减对气滞血瘀型冠脉痉挛性心绞痛的临床观察及对ET-1的影响[D].黑龙江中医药大学,中医学（专业学位）,2013,硕士.
[14]常青霞.污泥和酒糟联合厌氧消化运行条件优化研究[D].山东建筑大学,建筑与土木工程（专业学位）,2012,硕士.
[15]李宗善,刘国华,傅伯杰,张齐兵,胡婵娟,罗淑政.不同去趋势方法对树轮年表气候信号的影响——以卧龙地区为例[J].植物生态学报,2011,07:707-721.
[16]陈勇.一类Marcinkiewicz积分算子的有界性[D].安徽师范大学,应用数学,2004,硕士.
[17]李文兵,毕英杰,纪扬,席政,姜旭,丁茂祥,张锐,李勇.基于生产流程的炼钢-连铸-热轧仿真系统[J].冶金自动化,2005,03:37-42+49.
[18]郑鹢冰.原发性膀胱输尿管反流Pax2基因启动子DNA甲基化状态研究[D].复旦大学,儿科学,2012,硕士.
[19]王瑾.《嵌入式系统基础》教学改革探索[J].中国连锁,2014,07:205.
[20]郑子安.左、右归丸对EAE小鼠Th17细胞分化和IL-23/IL-17轴调控机制的研究[D].北京中医药大学,中医临床基础,2014,硕士.
[21]李汉华.胰腺癌Mir-146a的靶基因TIMP3、SMAD4验证及其表达与肿瘤的病理特征和生存的关系[D].南方医科大学,外科学,2012,硕士.
[22]符劲松.基于可听声的变压器内部火花放电故障诊断研究[D].华中科技大学,高电压与绝缘技术,2013,硕士.
[23]马慧慧.α-半乳糖苷酶对肉鸡作用效果及相关机理的研究[D].河南农业大学,动物营养与饲料科学,2012,硕士.
[24]鲁文,徐石明,周苏荃,柳焯.新息图法辐射配电网不正常事件的识别[J].华北电力技术,2004,04:39-41.
[25]李茂强.变量穴灌穴播机的设计[D].宁夏大学,机械工程,2014,硕士.
[26]李健,胡文,张志龙,许永娜.1.9nsLD端面泵浦Nd:YVO_4/GaAs被动调Q激光器[J].山东科学,2015,02:87-92.
[27]康安峰.TRIPs框架内药品专利强制许可制度之研究[D].吉林大学,法律,2004,硕士.
[28]刘钥.连续刚构桥梁的气动性能数值模拟研究[D].湖南大学,2009.
[29]曾少贤.纳税遵从目标下我国税收行政自由裁量权制度的完善[D].湘潭大学,法律,2011,硕士.
[30]李广智.股权结构对商业银行经营绩效的影响研究[D].山东财经大学,金融学,2013,硕士.
[31]宋彦龙.基于xPC电机台架的综合数据采集系统[D].吉林大学,无线电物理,2014,硕士.
[32]赖志平,汪新.某会展中心建筑表面风压分布的数值模拟[J].广东工业大学学报,2014,02:80-86.
[33]李思文.脉动流场下涡运动规律的实验研究[D].浙江工业大学,热能工程,2012,硕士.
[34]李娜.常压固定床煤富氧高温气化技术数值研究[D].中国石油大学（华东）,动力工程及工程热物理,2012,硕士.
[35]王征.LED灯光对交互方式的影响[J].装饰,2015,03:38-41.
[36]徐艺露.生物黑炭对土壤性质和土壤有机碳库的影响[D].华东师范大学,生态学,2013,硕士.
[37]王霄.对新强子态Y(2175)和Z_c(4025)的性质的研究[D].兰州大学,理论物理,2014,硕士.
[38]黄学.基于组织模块性与技术模块性匹配的全球研发系统架构设计规则[D].浙江大学,企业管理,2014,博士.
[39]李瑞婷.股权结构对我国上市公司并购绩效的影响研究[D].山西财经大学,金融学,2013,硕士.
[40]卿山,蒋吉军,王华.降低循环流化床锅炉飞灰含碳量的因素分析[J].煤炭转化.2004(02)
[41]郭群.扬州鉴真国际半程马拉松赛事综合效益分析[D].扬州大学,体育教育训练学,2011,硕士.
[42]针娴.潞党参质量标准的研究[D].山西医科大学,生药学,2013,硕士.
[43]植丽云.现代中文歌词韵律初探[D].广西民族大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[44]任海科.基于无线网络通信的视频监控系统终端数据业务软件设计[D].浙江大学,电子信息技术及仪器,2013,硕士.
[45]南学洙.中美贸易失衡的本质[D].广东外语外贸大学,国际商务,2013,硕士.
[46]于智龙.基于自放电技术的电动车用锂动力电池SOC预测算法研究[D].东北林业大学,机械设计及理论,2013,博士.
[47]陈艳丽,彭向阳,杨红,常胜利,张凯旺,钟建新.拓扑绝缘体Bi_2Se_3中层堆垛效应的第一性原理研究[J].物理学报,2014,18:416-422.
[48]吕浩.抚顺矿业集团办公资产管理系统的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2012,硕士.
[49]郭以贺,谢志远,徐智坚.基于ARM的馈线自动化系统设计[J].电力系统自动化,2010,10:105-108.
[50]刘锐.基于结构方程的某综合医院住院患者满意度研究[D].大连医科大学,社会医学与卫生事业管理,2012,硕士.