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ZnO超疏水结构的微纳米制造及润湿性研究

作　者: 王玲
导　师: 刘长松
学　校: 青岛理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: ZnO 超疏水 低温液相法 润湿性 微纳米结构 选择性生长
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


ZnO是一种重要的半导体材料,具有优良的物理、化学、光学、电学等性质。本文通过低温液相法制备出具有阶层结构的氧化锌球形微纳米结构,并着重研究了它的润湿特性。另外,采用分子自组装(molecule self-assembly,自下而上)技术和光刻(photolithography,自上而下)技术相结合的微纳米制造技术,实现了氧化锌微纳米结构的选择性生长。研究发现:1、向反应溶液中加入适量的HF溶液后可以得到取向性的棒状氧化锌和微纳米阶层结构的球形氧化锌。通过探讨氧化锌的生长机制及其影响因素发现:当HF溶液的加入量比较少时,H~+对氧化锌的取向性产生重要的影响;当HF溶液的加入量比较多时,F在反应溶液中的相对浓度是HF溶液能够调控氧化锌球形微纳米结构的关键因素之一。当反应溶液浓度为0.1M时,溶液中加入550-700μl的HF溶液,即可得到球形的氧化锌;当反应溶液浓度为0.05M时,为得到球形氧化锌,需加入350-500μl的HF溶液。2、保温时间和保温温度对球形氧化锌的生长也有一定的影响。随着保温时间的延长,球形氧化锌的直径及密度均增加,但当保温时间大于120分钟之后,球形氧化锌的密度及直径基本保持不变。当保温温度小于90℃后,在其它条件相同时,不能得到球形氧化锌。3、球形和取向性棒状氧化锌薄膜表面与水接触角最大分别可达157.1°和151.4°,而且它们都具有很好的光响应特性,分别可在30分钟和28分钟内经过真空紫外光(VUV)照射而达到超亲水状态(接触角＜5°),而后可以在暗室内分别保存6天和5天后再次恢复其原有的超疏水状态。4、通过半定量测量发现,取向性棒状氧化锌和球形氧化锌薄膜表面与水之间有着较大的黏附力,黏附力大小分别为868.3μN和946.7μN。显然,黏附力的大小与表面的微结构等因素有关。5、分别对取向性棒状氧化锌和球形氧化锌薄膜表面用十八烷基三甲氧基硅烷(ODS)修饰后,其接触角分别可达170.7°和165.4°,而且这两种薄膜表面均具有较小的滚动角,并具有超亲水/超疏水的可逆转变特性。6、通过自下而上的有机分子自组装技术和自上而下的光刻技术,实现了棒状和球形氧化锌微纳米结构的选择性生长。当向反应溶液中加入HF(或氟化铵、氯化铵、硝酸铵)溶液后,可以在实现氧化锌微纳米棒选择性生长的同时,改善其取向性。材料的润湿性在工农业生产和人们的日常生活中都有着非常广阔的应用前景,而材料的选择性生长是实现该材料器件化的基础。本文采用低温液相法获得氧化锌的微纳米结构,研究这些氧化锌微纳米结构的生长机制及其润湿特性,并通过分子自组装技术和光刻技术,实现了氧化锌微纳米结构的选择性生长,为具有润湿特性的氧化锌材料的器件化打下基础。

全文目录


摘要  9-11
Abstract  11-13
第1章 绪论  13-29
  1.1 微纳米制造与微流体器件  13-16
    1.1.1 微纳米技术与微纳米制造  13-14
    1.1.2 微流体器件与微流体驱动  14-16
      1.1.2.1 微流体器件  14
      1.1.2.2 微流体驱动  14-16
  1.2 固体表面的润湿性  16-21
    1.2.1 固体表面的润湿性理论  16-18
    1.2.2 超疏水性表面的制备  18-20
    1.2.3 表面可控润湿性  20-21
  1.3 氧化锌的性能  21-23
    1.3.1 氧化锌的光、电性能  21-23
    1.3.2 氧化锌的润湿性能  23
  1.4 氧化锌的制备  23-25
    1.4.1 氧化锌的固相法制备  24
    1.4.2 氧化锌的气相法制备  24
    1.4.3 氧化锌的液相法制备  24-25
  1.5 ZnO的图案化(pattern)  25-27
  1.6 研究的背景和意义  27-28
  1.7 本文研究的主要内容及目标  28-29
第2章 实验设备、实验原理与方法  29-37
  2.1 微纳米结构氧化锌的制备原理  29
  2.2 基本实验过程  29-31
    2.2.1 基底的清洗  29
    2.2.2 基底的功能化处理  29-30
    2.2.3 微纳米结构氧化锌的制备  30
    2.2.4 样品的组织结构分析  30
    2.2.5 样品的润湿性研究  30-31
  2.3 实验所用仪器与设备  31-35
  2.4 实验所用的试剂  35-37
第3章 球形ZnO薄膜的制备及其生长机理研究  37-51
  3.1 ZnO微纳米球薄膜的制备  37-38
  3.2 影响氧化锌微纳米球薄膜的因素  38-46
    3.2.1 基底的功能化对氧化锌微纳米球薄膜的影响  38-40
    3.2.2 反应溶液浓度及氟离子相对浓度对氧化锌微纳米球薄膜的共同影响  40-42
    3.2.3 保温时间对对氧化锌微纳米球薄膜的影响  42-45
    3.2.4 保温温度对对氧化锌微纳米球薄膜的影响  45-46
  3.3 ZnO微纳米球薄膜生长机理的探讨  46-50
  3.4 本章小结  50-51
第4章 氧化锌微纳米球薄膜表面的润湿性研究  51-60
  4.1 氧化锌微纳米球薄膜表面的静态接触角测量  51-53
  4.2 球形氧化锌薄膜表面的黏附力测量  53-55
  4.3 氧化锌微纳米球薄膜表面的光响应润湿性可变特性  55-57
  4.4 球形氧化锌薄膜的表面改性研究  57-58
  4.5 微流体表面张力驱动展望  58-59
  4.6 本章小结  59-60
第5章 棒状氧化锌薄膜的制备及其润湿性研究  60-73
  5.1 ZnO微纳米棒的制备及表征  60-66
  5.2 ZnO微纳米棒薄膜的润湿性研究  66-69
  5.3 取向性ZnO微纳米棒薄膜表面的光响应性能  69-71
  5.4 取向性棒状氧化锌表面的黏附力测量  71
  5.5 取向性棒状ZnO薄膜表面改性  71-72
  5.6 本章小结  72-73
第6章 二维氧化锌图案的制备与表征  73-83
  6.1 基底的图案化处理  73-76
  6.2 微纳米结构氧化锌的选择性制备与表征  76-82
    6.2.1 棒状氧化锌薄膜的图案化制作与表征  79-80
    6.2.2 高取向的棒状氧化锌薄膜的图案化制备与表征  80-81
    6.2.3 球形氧化锌薄膜的图案化制作与表征  81-82
  6.3 本章小结  82-83
结论  83-85
参考文献  85-92
攻读硕士学位期间完成的学术论文  92-93
致谢  93

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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