一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法

摘要

本发明公开了一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：第一步，旋涂第一层紫外光刻正胶，进行第一次紫外光刻；第二步，旋涂第二层紫外光刻负胶，倾斜基底进行第二次紫外光刻；第三步，浸涂低表面能纳米颗粒；第四步，真空蒸镀亲水金属薄膜，生成所需定向运输轨道，得到具有定向运输功能的超疏水表面。本发明通过两次紫外光刻，一方面增大了微结构的比表面积，使得浸涂低表面能纳米颗粒后粗糙度足够，另一方面在进行第二次光刻时，有意倾斜基板进行曝光，得到具有一定倾斜角度的单向倾斜的结构，从而相当于预先给定了一个滚动方向。该预先给定的滚动方向结合后期蒸镀得到的亲水运输轨道，较好地实现了液滴的定向运输。

权利要求

1.一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，旋涂第一层紫外光刻正胶，进行第一次紫外光刻(1)根据需要，预先设计出将要光刻的图案；

(2)取一硅基底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干；

(3)将洁净的硅基底放在匀胶机上，使用微量移液器在硅基底上滴入适量紫外光刻正胶，设定好匀胶机的转速和时间，进行匀胶；

(4)将匀胶完成后的硅基底水平固定在紫外光刻机上进行紫外光刻；

(5)光刻完成后，立即放入正胶显影液中显影，显影完成后用去离子水冲洗并干燥；

第二步，旋涂第二层紫外光刻负胶，倾斜基底进行第二次紫外光刻(1)将第一步光刻后的硅基底再次放在匀胶机上，使用微量移液器在硅基底上滴入适量紫外光刻负胶，设定好匀胶机的转速和时间，进行匀胶；

(2)将匀胶完成后的硅基底倾斜固定在紫外光刻机上，进行紫外光刻；

(3)光刻完成后，立即放入负胶显影液中显影，显影完成后用去离子水冲洗并干燥；

第三步，浸涂低表面能纳米颗粒

(1)将含低表面能纳米颗粒的悬浮液超声分散到去离子水中配置成分散液；

(2)将上述紫外光刻后的硅基底浸泡在分散液中一定的时间，然后缓慢取出；

(3)将浸泡后的硅基底在室温下自然干燥，随后将其移至真空干燥箱中加热固化；

(4)固化完成后冷却至室温得到具有微纳复合结构的超疏水表面；

第四步，真空蒸镀亲水金属薄膜，生成所需定向运输轨道(1)在所制备的超疏水表面上，根据实际所需设计定向运输的轨道，并将该轨道暴露出来，其他部位用锡纸包裹，待用；

(2)设置真空蒸镀设备的冷水循环装置；

(3)打开真空罩，将所要蒸镀的亲水金属靶材放入蒸发舟内，将步骤(1)中用锡纸处理后的硅基底置于基片台上并固定；

(4)抽真空操作；

(5)设置镀膜参数，开始镀膜操作；

(6)镀膜完成后，将按定向运输轨道蒸镀亲水金属薄膜后的硅基底取出，得到具有定向运输功能的超疏水表面。

2.根据权利要求1所述的一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法，其特征在于：所述紫外光刻正胶选用AZ5214E，对应的显影液选用AZ显影液；所述紫外光刻负胶选用SU8-3050，对应的显影液选用SU8显影液。

3.根据权利要求1所述的一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法，其特征在于：所述含低表面能纳米颗粒的悬浮液选用聚四氟乙烯纳米颗粒悬浮液。

4.根据权利要求1所述的一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法，其特征在于：所述图案为正多边形阵列排布的圆形柱阵列、方形柱阵列或菱形柱阵列。

5.根据权利要求1所述的一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法，其特征在于：所述蒸镀的亲水金属靶材选自银、铝、铜、铁、镍、铬和镁中的任何一种。

说明书

一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超疏水表面加工处理领域，具体地说是涉及一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法。

背景技术

[0002] 超疏水表面是一种受“荷叶效应”启发所制备的仿生功能性表面，通常其水滴接触角大于150°，滚动角小于10°。荷叶表面的微米乳突状结构上还存在着纳米结构，这种微纳复合结构对超疏水性有重要的影响，正是由于这种微纳复合结构的存在，水滴在荷叶表面能够自如滚落，从而使荷叶具备良好的自清洁性能。

[0003] 水滴定向运输指的是水滴在超疏水表面沿着设计的轨道滚动，在液滴分流领域具有极大的潜在价值。现有技术采用小刀刮擦的方式在超疏水表面设置一条亲水的轨道来实现水滴的定向运输，然而这种方法可控性低，通用性较差。

[0004] 现有的采用化学刻蚀法制备仿生微纳复合结构超疏水表面的方法，制备出的超疏水表面微纳复合结构形式单一，无法形成可自由调控的、具有一定倾斜角度的微结构；并且液滴在表面的滚动性欠佳。

[0005] 具体地，现有技术通过化学刻蚀法制备出超疏水表面，然后对超疏水表面用小刀刮擦出一定的轨道来实现液滴的定向运输。制备步骤如下：(1)采用化学刻蚀法在基底上构建粗糙的微纳复合结构；(2)利用低表面能物质对基底进行疏水化修饰，从而制备出超疏水表面；(3)根据实际需要对超疏水表面用小刀刮擦出所需定向运输的轨道来实现液滴的定向运输。

[0006] 现有技术存在以下缺点：

[0007] 一、采用化学刻蚀法在基底上构建粗糙的微纳复合结构，这种结构只能在基底上垂直生成，无法形成具有一定倾斜角度的单向倾斜的结构，并且生成的微结构形貌也无法进行调控。

[0008] 二、采用化学刻蚀法在基底上构建的微纳复合结构，生成的微米级结构与纳米级结构不可调控，因此两种结构不能有效配合，尽管表面呈现出了超疏水性，但液滴在表面的滚动性不佳。

[0009] 三、对超疏水表面根据实际需要用小刀刮擦出一定的轨道来实现液滴的定向运输，但由于刮擦的力度不可控，会导致刮擦的轨道与所需定向运输的轨道产生出入，无法有效实现液滴的定向运输，可控性较差。

发明内容

[0010] 基于上述技术问题，本发明提供一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法，该方法在硅基底上旋涂两次紫外光刻胶，将常规紫外光刻(垂直光刻)与倾斜基底紫外光刻相结合构建微米级结构，再浸涂低表面能纳米颗粒悬浮液构建具有微纳复合结构的超疏水表面，最后采用蒸镀法在具有倾斜结构的超疏水表面预先设计的沿结构倾斜方向的轨道上蒸镀一层亲水的金属薄膜来实现液滴的定向运输。

[0011] 本发明所采用的技术解决方案是：

[0012] 一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

[0013] 第一步，旋涂第一层紫外光刻正胶，进行第一次紫外光刻

[0014] (1)根据需要，预先设计出将要光刻的图案；

[0015] (2)取一硅基底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干；

[0016] (3)将洁净的硅基底放在匀胶机上，使用微量移液器在硅基底上滴入适量紫外光刻正胶，设定好匀胶机的转速和时间，进行匀胶；

[0017] (4)将匀胶完成后的硅基底水平固定在紫外光刻机上进行紫外光刻；

[0018] (5)光刻完成后，立即放入正胶显影液中显影，显影完成后用去离子水冲洗并干燥；

[0019] 第二步，旋涂第二层紫外光刻负胶，倾斜基底进行第二次紫外光刻[0020] (1)将第一步光刻后的硅基底再次放在匀胶机上，使用微量移液器在硅基底上滴入适量紫外光刻负胶，设定好匀胶机的转速和时间，进行匀胶；

[0021] (2)将匀胶完成后的硅基底倾斜固定在紫外光刻机上，进行紫外光刻；

[0022] (3)光刻完成后，立即放入负胶显影液中显影，显影完成后用去离子水冲洗并干燥；

[0023] 第三步，浸涂低表面能纳米颗粒

[0024] (1)将含低表面能纳米颗粒的悬浮液超声分散到去离子水中配置成分散液；

[0025] (2)将上述紫外光刻后的硅基底浸泡在分散液中一定的时间，然后缓慢取出；

[0026] (3)将浸泡后的硅基底在室温下自然干燥，随后将其移至真空干燥箱中加热固化；

[0027] (4)固化完成后冷却至室温得到具有微纳复合结构的超疏水表面；

[0028] 第四步，真空蒸镀亲水金属薄膜，生成所需定向运输轨道

[0029] 采用蒸镀法在具有倾斜结构的超疏水表面预先设计的沿结构倾斜方向的轨道上蒸镀一层亲水的金属薄膜来实现液滴的定向运输；

[0030] (1)在所制备的超疏水表面上，根据实际所需设计定向运输的轨道，并将该轨道暴露出来，其他部位用锡纸包裹，待用；

[0031] (2)设置真空蒸镀设备的冷水循环装置；

[0032] (3)打开真空罩，将所要蒸镀的亲水金属靶材放入蒸发舟内，将步骤(1)中用锡纸处理后的硅基底置于基片台上并固定；

[0033] (4)抽真空操作；

[0034] (5)设置镀膜参数，开始镀膜操作；

[0035] (6)镀膜完成后，将按定向运输轨道蒸镀亲水金属薄膜后的硅基底取出，得到具有定向运输功能的超疏水表面。

[0036] 一、本发明通过旋涂两次紫外光刻胶，进行两次紫外光刻，即在常规紫外光刻(基底水平)的基础上再倾斜基底进行第二次紫外光刻，从而在常规紫外光刻图案上又增加了一层具有一定倾斜角度的单向倾斜的结构，然后再浸涂低表面能纳米颗粒悬浮液构建出微纳复合结构。所制备的微纳复合结构可自由调控，并且足够粗糙，提高了表面的超疏水性能。

[0037] 二、本发明制备的超疏水表面的微结构与基底相对倾斜，由于微结构与基底具有一个倾斜角度，相当于预先给定了一个滚动方向，使得其上的液滴在基底倾斜角度达到常规超疏水表面的滚动角之前就可以滚动，从而使得超疏水表面上的液滴更加有利于向结构倾斜的方向滚动(比如说倾斜光刻时，抬高硅基底的右侧，则所形成超疏水表面上的液滴更加有利于从右向左滚动)，因此增加了液滴在超疏水表面上的滚动性能。

[0038] 三、采用蒸镀法在具有倾斜结构的超疏水表面预先设计的沿结构倾斜方向的轨道上蒸镀一层亲水的金属薄膜来实现液滴的定向运输。蒸镀的金属薄膜与基底的粘附性能较好，膜厚均匀可控，并且蒸镀的位置较精确，能够有效实现液滴的定向运输。

[0039] 优选的，所述紫外光刻正胶选用AZ5214E，对应的显影液选用AZ显影液；所述紫外光刻负胶选用SU8-3050，对应的显影液选用SU8显影液。本发明进行了两次紫外光刻，在两次紫外光刻时采用了两种型号不同的紫外光刻胶，以避免第二次紫外光刻的显影液对第一次旋涂的紫外光刻胶的影响，或者说避免第二次显影时对第一次显影图案造成影响。

[0040] 优选的，所述含低表面能纳米颗粒的悬浮液选用聚四氟乙烯纳米颗粒悬浮液，通过浸涂聚四氟乙烯纳米颗粒，省去了通过氟化降低表面能的步骤。

[0041] 优选的，所述紫外光刻图案可以为正多边形阵列排布的圆形柱阵列、方形柱阵列或菱形柱阵列。当然，也可采用其他阵列排布的其他形状。

[0042] 优选的，所述蒸镀的亲水金属靶材选自银、铝、铜、铁、镍、铬和镁中的任何一种。

[0043] 上述的定向运输轨道也可根据实际需要进行调整。

[0044] 本发明的有益技术效果是：

[0045] 一、首先，采用紫外光刻技术在基底上构建微米级粗糙结构，在常规紫外光刻的基础上再倾斜基底进行第二次紫外光刻(第一次光刻为常规光刻，即水平放置基板进行曝光，第二次光刻为倾斜基板进行曝光，从而得到了具有一定倾斜角度的单向倾斜的微结构)，从而在常规紫外光刻图案上又增加了一层具有一定倾斜角度的单向倾斜的结构，增大了微结构的比表面积，然后再浸涂低表面能纳米颗粒悬浮液构建出微纳复合结构。所制备的微纳复合结构可自由调控，并且足够粗糙，提高了表面的超疏水性能。

[0046] 二、本发明制备的超疏水表面的微结构与基底相对倾斜，由于微结构与基底具有一个倾斜角度，相当于预先给定了一个滚动方向，使得其上的液滴在基底倾斜角度达到常规超疏水表面的滚动角之前就可以滚动，从而使得超疏水表面上的液滴更加有利于向结构倾斜的方向滚动，因此增加了液滴在超疏水表面上的滚动性能。

[0047] 三、根据实际需要设计出定向运输的图案，将该图案暴露出来，其他部位用锡纸包裹，然后采用蒸镀法在具有倾斜结构的超疏水表面预先设计的沿结构倾斜方向的轨道上蒸镀一层亲水的金属薄膜来实现液滴的定向运输。蒸镀的金属薄膜与基底的粘附性能较好，膜厚均匀可控，并且蒸镀的位置较精确，能够有效实现液滴的定向运输，提高了定向运输的精确性和可控性。

[0048] 总结来说，本发明通过两次紫外光刻，一方面增大了微结构的比表面积，使得浸涂低表面能纳米颗粒后粗糙度足够，另一方面在进行第二次光刻时，有意倾斜基板进行曝光，得到具有一定倾斜角度的单向倾斜的结构，从而相当于预先给定了一个滚动方向。该预先给定的滚动方向结合后期蒸镀得到的亲水运输轨道(在微纳超疏水表面蒸镀一层金属薄膜改变其润湿行为，使其变为亲水轨道，而轨道周围区域的润湿行为并没有改变，仍为超疏水区域)，较好地实现了液滴的定向运输。

附图说明

[0049] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

[0050] 图1为本发明制备具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法；

[0051] 图2为本发明所采用真空电阻蒸发镀膜设备的结构简图；

[0052] 图3为本发明方法蒸镀金属薄膜后的局部轨道示意图；

[0053] 图4为本发明所制备具有定向运输功能的超疏水表面上水滴的滚动示意图；图中用箭头标示了水滴在所获得的超疏水表面上的滚动方向。

[0054] 图中：1-硅基底；2-紫外光刻正胶；3-紫外光刻负胶；4-聚四氟乙烯纳米颗粒；5-蒸镀的铜膜；6-真空罩；7-基片台；8-蒸发舟；9-铜靶材；10-锡纸；11-水滴；A-蒸镀金属薄膜区域(亲水区域)；B-未蒸镀金属薄膜区域(锡纸盖住的区域也就是超疏水区域)。

具体实施方式

[0055] 本发明提供一种具有一定倾斜角度的单向倾斜的，微结构可自由调控的构建微纳复合结构超疏水表面的方法；进而提供一种精确生成一条定向运输轨道的方法，实现液滴在硅基底上的定向运输，提高液滴在超疏水表面上的滚动性能。

[0056] 本发明在硅基底上旋涂两次紫外光刻胶，进行了两次紫外光刻，即将常规光刻与倾斜硅基底光刻相结合构建微米级结构，再浸涂具有低表面能的纳米颗粒构建具有微纳复合结构的超疏水表面，最后采用蒸镀法在具有倾斜结构的超疏水表面预先设计的沿结构倾斜方向的轨道上蒸镀一层亲水的金属薄膜来实现液滴的定向运输。

[0057] 下面通过具体实施例进行更为具体的说明。

[0058] 实施例1

[0059] 结合附图，一种具有定向运输功能的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

[0060] 第一步，旋涂紫外光刻胶(正胶)，进行第一次紫外光刻

[0061] (1)根据需要，预先设计出将要光刻的图案；

[0062] (2)取一尺寸为25mm×25mm的硅基底1，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min，并用氮气吹干；

[0063] (3)将洁净的硅基底1放在匀胶机上，使用微量移液器在硅基底1上滴入适量紫外光刻胶2(正胶)，型号为AZ5214E，设定好预旋涂的转速和时间分别为500rpm和10s，旋涂的转速和时间分别为4000rpm和30s，进行匀胶；

[0064] (4)将匀胶完成后的硅基底1水平固定在光刻机上进行曝光；

[0065] (5)光刻完成后，立即放入AZ显影液中40s，显影完成后用去离子水冲洗并干燥。

[0066] 第二步，旋涂紫外光刻胶(负胶)，倾斜基底进行第二次紫外光刻

[0067] (1)将第一步光刻后的硅基底1放在匀胶机上，使用微量移液器在硅基底1上滴入适量紫外光刻胶3(负胶)，型号为SU8-3050，设定好预旋涂的转速和时间分别为500rpm和20s，旋涂的转速和时间分别为3000rpm和30s，进行匀胶；

[0068] (2)将匀胶完成后的硅基底1倾斜5°固定在光刻机上进行曝光；

[0069] (3)光刻完成后，立即放入SU8显影液中2min，显影完成后用去离子水冲洗并干燥。

[0070] 第三步，浸涂聚四氟乙烯纳米颗粒悬浮液

[0071] (1)将1g，60％wt的聚四氟乙烯纳米颗粒4悬浮液超声分散到5ml去离子水中配置成分散液；

[0072] (2)将上述紫外光刻后的硅基底1浸泡在分散液中5min，然后缓慢取出；

[0073] (3)当浸泡后的硅基底1在室温下自然干燥后，将其移至真空干燥箱中，在120℃下加热固化30min；

[0074] (4)固化完成后冷却至室温。

[0075] 第四步，采用蒸镀法在具有倾斜结构的超疏水表面预先设计的沿结构倾斜方向的轨道上蒸镀一层亲水的金属薄膜来实现液滴的定向运输

[0076] (1)在所制备的超疏水表面上，如图3所示，将圆弧形轨道A暴露出来，其他部位B用锡纸10包裹，待用；

[0077] (2)设置真空蒸镀设备的冷水循环装置；

[0078] (3)如图2所示，打开真空罩6，将所要蒸镀的铜靶材9放入蒸发舟8内，将步骤(1)中用锡纸10包裹处理后的基底置于基片台7上并固定；

[0079] (4)抽真空操作；

[0080] (5)设置镀膜参数，开始镀膜操作；

[0081] (6)镀膜结束后，将基底从真空蒸镀设备中取出，然后将圆弧轨道周围的锡纸取下完成镀膜操作，圆弧轨道的倾斜结构上蒸镀一层金属薄膜，成为亲水区域，而被锡纸盖住的位置没有蒸镀金属薄膜，仍为超疏水区域。

[0082] 本实施例中，在具有倾斜结构的超疏水表面预先设计一条沿结构倾斜方向的定向运输轨道，采用蒸镀法蒸镀一层金属薄膜改变其润湿行为，使其(设计的定向运输轨道)变为亲水轨道，而轨道周围区域的润湿行为并没有改变，仍为超疏水区域，通过硅基底表面的两种不同的润湿性质，液滴通过超疏水区域被排挤到亲水区域，并且由于倾斜的微结构，沿着结构的倾斜方向在硅基底表面滚动，从而较好地实现了液滴的定向运输。

[0083] 本发明硅基底也可采用玻璃基底、塑料基底或金属基底等进行替换。紫外光刻图案可以为正多边形阵列排布的圆形柱阵列、方形柱阵列、菱形柱阵列的任何一种。所述蒸镀的亲水金属靶材也可选自银、铝、铁、镍、铬和镁等中的一种。当然，上述的定向运输轨道也可根据实际需要进行调整。

[0084] 上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

[0085] 需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。