超薄納米離子液體潤滑膜的製備方法
2023-06-07 00:39:16
專利名稱：超薄納米離子液體潤滑膜的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種超薄納米離子液體潤滑膜的製備方法。
背景技術：
通訊行業、航空科技、生物醫學以及晶片實驗室中的微電機裝置、微小系統、納米 科技、納米電機裝置最近發展迅速。這些裝置大多是利用傳統半導體工藝由單晶或多晶矽 製造。其他一些材料，如氮化矽、碳化矽、鎳以及類金剛石碳等也被使用。這些材料常常以 納米膜的形式被沉積到矽基底上以增強材料的強度、耐磨性以及抗腐蝕能力。在頻繁的接 觸中，如果沒有有效的潤滑，這些部件的壽命是非常短的。因此，有效的潤滑膜對這些微/ 納米器件的實際應用具有極其重要的意義。 在過去的一些研究中，LB膜、自組裝薄膜、聚合物超薄膜等潤滑方法均受到了廣泛 關注。由矽烷偶聯劑等製備出的具有納米尺度和有序結構的自組裝薄膜具有較好的摩擦學 性能，全氟聚醚作為薄膜潤滑材料已成功地應用於磁記錄工業中(US patent 112238)。
由於離子液體具有優良的物理和化學特性，近年來，離子液體在摩擦學方面的性 能受到廣泛關注，已經證實離子液體作為潤滑油具有良好的減摩抗磨性能。此外，離子液體 製備成潤滑薄膜後，也具有較好的摩擦學性能。然而，目前製備的離子液體薄膜厚度一般在 30 50nm，這一厚度對於接觸表面之間通常只有幾個納米的微/納米器件來說顯然是不適 用的，此外，所用的基體材料通常要用矽烷偶聯劑等進行表面預處理以改善離子液體在表 面的均勻性，這也會在一定程度上增加薄膜的總體厚度，並且使製備過程繁瑣、製備成本升 高。因此，發展基底表面無需官能化的超薄離子液體納米薄膜的製備技術具有重要的意義， 將更有利於實現離子液體薄膜在微/納米器件上的應用。
發明內容
本發明的目的是提供一種直接在單晶矽片表面製備離子液體納米薄膜的方法。
本發明的特點在於不必引入其他官能團即能在單晶矽片表面形成連續、均勻的納 米尺度的離子液體潤滑膜，且具有較好的摩擦磨損性能。
本發明的製備方法包括以下步驟
a基底材料的預處理 將單晶矽片依次用二次蒸餾水、丙酮超聲清洗，然後用乾燥氮氣吹乾，最後置於紫 外光下照射1 6小時得到表面活化的單晶矽片；
b離子液體薄膜的製備 將表面活化的單晶矽片浸漬在離子液體的丙酮溶液中，控制浸漬時間2 10分 鍾，提拉速度2 8mm *s—1得到塗有離子液體薄膜的單晶矽片；其中離子液體選自甲基丁基 咪唑四氟硼酸鹽或甲基丁基咪唑六氟磷酸鹽；
c熱處理 將塗有離子液體薄膜的單晶矽片在90°C 12(TC下處理1 3小時，即可得到厚度為2 5nm的離子液體薄膜。 在上述方法中，離子液體的丙酮溶液中離子液體質量分數為0. 05% 0. 2%。
本發明所用離子液體用下述方法製備 向乙醇鈉的乙醇溶液中加入咪唑和溴代甲烷回流反應得到甲基咪唑。向甲基咪唑 中滴加溴代正丁烷，反應回流後再向其中滴加四氟硼酸鈉或六氟磷酸銨水溶液得到甲基丁 基咪唑四氟硼酸鹽或六氟磷酸鹽。 製取離子液體參考文獻R. Hagiwara， Y. Ito， Room temperature ionic liquids
ofalkylimidazolium cations and fluoroanions. J. Fluor. Chem. 2000，105(2)，221-227。 在上述基底材料的預處理過程中，用二次蒸餾水及丙酮超聲清洗可除去附著在單
晶矽片表面的汙染物，然後使用紫外光照射增加矽片的表面能使矽片表面活化。 在離子液體薄膜製備的過程中，離子液體溶液的濃度、單晶矽片在溶液中的停留
時間以及提拉速度都會對製得的離子液體薄膜的厚度產生一定程度的影響，一般來說，溶
液濃度越大、停留時間越長、提拉速度越小，製備出的離子液體薄膜越厚，反之薄膜厚度越小。 熱處理主要是為了提高離子液體與單晶矽片表面的結合力，並除去薄膜中吸附的 少量溶劑及水以使薄膜更加均勻緻密。 本發明製備的離子液體納米潤滑膜具有良好的摩擦學性能，即使在較高載荷和速
度下也具有很低的摩擦係數和較長的耐磨壽命。 摩擦磨損測試方法如下 選用美國CETR公司UMT-2MT微摩擦試驗機對薄膜的摩擦係數和耐磨壽命進行評 價。往復運動行程為5mm，法向載荷為0. 1 0. 4N，滑動速度為10mm s—1 40mm s—、摩 擦係數由電腦自動記錄，當摩擦係數上升至0. 4時認為薄膜已經失效，此時所經歷的滑動 時間即為薄膜的耐磨壽命，由此可以計算出對偶在薄膜上的滑動次數。對偶選用03GCr15 鋼球。測試結果為載荷0. 4N，滑動速度為40mm s—1時，耐磨壽命超過14萬次。
本發明得到的潤滑薄膜總厚度為2 5nm，為解決微觀條件下的潤滑和失效問題 提供了新的途徑。具體可望應用於微/納機電系統(MEMS/NEMS)、磁記錄系統等領域。
我們認為，本發明的方法普適性好，很多離子液體，如大部分烷基咪唑類，都可以 適用於這一製備方法。 與已有製備技術相比，本發明的實質性特點是 1.使用紫外光照射代替傳統的基底表面官能化，不僅減小了薄膜的總體厚度，並 且簡化了製備過程，降低了製備成本。 2.製備的離子液體薄膜厚度最小可達2 5nm，遠遠低於以往製備的離子液體薄 膜，大大提高了離子液體薄膜在微/納米器件上應用的可能性。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明，現在舉例加以說明。
實施例1 : A將單晶矽片切割成10mmX 15mm小塊，依次用二次蒸餾水、丙酮超聲洗清10 20 分鐘，然後用乾燥氮氣吹乾，得到表面清潔的單晶矽片。將清潔的單晶矽片置於紫外光下照
4射2小時。 B將紫外光照射過的單晶矽片浸漬到質量分數為0. 1%的甲基丁基咪唑六氟磷酸 鹽的丙酮溶液中。在溶液中停留2分鐘後提起，控制提拉速度為2mm s—、得到塗有離子液 體薄膜的樣品。 C將塗有離子液體薄膜的樣品在ll(TC下處理1小時，得到的薄膜厚度為2nm左 右。用掃描電子顯微鏡觀察可以看到薄膜表面非常均勻。
摩擦學性能 對GCrl5鋼球摩擦磨損試驗結果表明載荷為0. 1 0. 4N，滑動速度為40mm s一1 時，薄膜的摩擦係數穩定值為0. 05 0. 07，耐磨壽命超過10000次(此時的摩擦係數仍 低於0.07)，經歷了 10000次滑動之後薄膜的摩擦係數仍然相當穩定。鋼球在薄膜上經歷 10000次滑動摩擦過程後磨斑處掃描電子顯微鏡照片顯示鋼球表面只有很小的磨斑，磨斑 直徑小於20ym。而同樣條件下的鋼球在空白基底上滑動IOO次之後表面的磨斑直徑就能 夠超過100 ym。在滑動摩擦過程中離子液體薄膜對表面的保護作用是相當明顯的。
相對較低載荷下本發明所製備的薄膜具有優良的潤滑、抗磨性能，能夠解決摩擦
副在較低載荷下的潤滑問題。
實施例2 : 利用同實施例1步驟A的方法得到清潔的矽片。將清潔的矽片置於紫外光下照射 4小時。 將紫外光照射過的單晶矽片浸漬在質量分數為0. 1%的甲基丁基咪唑四氟硼酸鹽 的丙酮溶液中，其他操作步驟同實施例1步驟B。
操作步驟同實施舉例1步驟C。 對GCrl5鋼球摩擦磨損試驗結果表明在載荷為0. 1 0. 4N，滑動速度為10 40mm *s—1時，該方法製備的離子液體薄膜的摩擦係數穩定值為0. 07 0. ll，耐磨壽命最長 超過7000次。
實施例3 : 利用同實施例1步驟A的方法得到清潔的矽片。將清潔的矽片置於紫外光下照射 6小時。 將紫外光照射過的單晶矽片浸漬在質量分數為0. 2%的甲基丁基咪唑六氟磷酸鹽 的丙酮溶液中，其他操作步驟同實施例1步驟B。 操作步驟同實施例1步驟C，得到的離子液體薄膜厚度為4nm左右。 該方法製備的離子液體薄膜在載荷為0. 4N，速度為40mm s—1時，對GCrl5鋼球的
摩擦係數穩定在0. 06 0. 10，耐磨壽命超過10000次。
權利要求
一種超薄納米離子液體潤滑膜的製備方法，其特徵在於該方法包括以下步驟a基底材料的預處理將單晶矽片依次用二次蒸餾水、丙酮超聲清洗，然後用乾燥氮氣吹乾，最後置於紫外光下照射1～6小時得到表面活化的單晶矽片；b離子液體薄膜的製備將表面活化的單晶矽片浸漬在離子液體的丙酮溶液中，控制浸漬時間2～10分鐘，提拉速度2～8mm·s-1得到塗有離子液體薄膜的單晶矽片；其中離子液體選自甲基丁基咪唑四氟硼酸鹽或甲基丁基咪唑六氟磷酸鹽；c熱處理將塗有離子液體薄膜的單晶矽片在90℃～120℃下處理1～3小時，即可得到厚度為2～5nm的離子液體薄膜。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於離子液體的丙酮溶液中離子液體質量分數為 0. 05% 0. 2%。
全文摘要
本發明公開了一種超薄納米離子液體潤滑膜的製備方法。潤滑膜用浸塗法製備，薄膜總厚度為2～5nm，可望應用於微/納機電系統、磁記錄系統等領域。
文檔編號C10M177/00GK101735883SQ20081017537
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月7日 優先權日2008年11月7日
發明者朱敏, 白明武, 趙文杰 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所