热氧化法制备透明超疏水ZnO薄膜

摘 要 ： 高透 明性 的无机超 疏水 薄膜 材料 具有 广阔的 应 用前景 ． 用磁 控溅射 法制备 出表 面具有 纳米 结构的 采 金属 ｚ ｎ前驱体 薄膜 ，并利用在低 气压 ５ ａ 温度 ３０ Ｐ， ５℃
热 氧化方法对 其采取 了处理 ，获得 了接触 角为 １ １ ， ５。 可见 光透 过率达 ８ ％以上 的超疏 水 Ｚ Ｏ薄膜 。Ｓ Ｍ 表 ０ ｎ Ｅ
５ｒ ０ ｍ之 间 ，然 而 ， 这 种 方 法 需 要 很 高 的 工 艺 温 度 ｉ
２ 实
验
采用 的制备装 置为 Ｊ ．５ Ａ 型磁控溅射 镀膜系统 。 Ｓ４ ０
选用 的衬 底是 高阻单 晶 Ｓ １０ ｉ（ ０ ）片和普通 的商业 玻璃 片 。沉积 薄膜前 ，将衬底 分别经过 甲苯 、丙酮和 乙醇的 超 声波清 洗。 射靶材 是纯度 为 ９ ． ％、 溅 ９９ ９ 直径 为 １０ ｍ ０ｍ 的金属 Ｚ ｎ靶 。溅射 沉积 时，真空腔 充入 为 ９ ．９ ９９ ％的高
文章编号 ： １０ ．７ ｌ（ ０ ７ ０ １ ３ ２ ０ ）增 刊．３ ３０ ９ ０ ０ ．４
好 的紫 外光响应 性【 ，并 且有望 通过控制 表面 的细 微粗 糙结 构在表面 实现超疏 水状态 。最近 ，江 】、 ／组通过 Ｊ
低温度 的湿化 学法制 备 了氧化 锌纳米 棒阵列膜 ， 很好地 控制 了氧化锌 纳米棒 的直径和 长度 ， 并且 它 的直 径和间 距都 在 １０ ｍ 以下 ，这 样 的薄膜表面 的粗糙尺度 不至 ０ｎ 于过 大 的增加 光 的散射 而影 响其 透 明性 ， 而 ，其制备 然 条件 的控制较 为苛刻 ， 光透过 性能和机械 性 能也不够理
Ｚ Ｏ 是一种 新型 的 Ｉ． ｎ ＩⅣ族 宽禁带半 导体材料 ，具 有优异 的光 电、压 电特 性，无毒 不发生 水解等优 点。其 晶体 为六方纤 锌矿 结构， 室温 禁带 宽度约 为 ３ ｅ ６ ． Ｖｔ，是 ３ 】 典型 的直 接带 隙宽带半 导体 。平滑 的 Ｚ Ｏ （０ ）表 面 ｎ ０１ 与水 的接触角 为 １９ 【，显示 了疏 水的性 质 ，具有 很 ０ 。 】
纯 ，沉积 时 间为 １ｍｉ，工作气压 为 １ ３ ａ ０ ｎ ． Ｐ ，射 频功 ３ 率采用 １０ 。然 后 ，在 水平放 置 的管 式炉 中进行 热氧 ０Ｗ
化 ，其 中，部分主要 的参数如 表 １ 示 。通过接触 角测 所 量系统 观察薄 膜 的疏 水性 能，并分 别利用 Ｘ ＲＤ、Ｓ Ｍ Ｅ 与Ｉ Ｒ得到 了薄膜 的结构 、表面形 貌 、透 明度 信息 。
明薄膜 由 １０ ｍ 短棒状 的 Ｚ Ｏ堆积 而成 ，通 过 Ｘ Ｄ， ０ｎ ｎ Ｒ
的测 量与分析 ，进 一步讨论 了沉 积条件 及热 氧化处 理对超疏 水透 明 Ｚ Ｏ薄膜 形成机理 。 ｎ
关键词 ： 超 疏水 ；Ｚ Ｏ薄膜 ；溅 射；热氧 化 ；透 明 ｎ 中图分类号 ： Ｔ ４ Ｂ３ 文献标识码 ：Ａ
具有广 阔的应用前 景 ，在世 界范 围内引起 了广 泛关注 。 近年 来， 尽管超疏 水源自膜材 料的制 备取得 了非常大 的进
步和成 就 ，并且 ，通过不 同的方法 已经获 得了疏水性 能 优越 的薄膜材料 ，然 而 ， 于工业 中的应用 和实 际生活 对 应 用 ，很多材 料除 了获得疏水 性 以外 ，还 需要配合其 它 的功 能特 性 。 比如， 新型 生物 材料和器 件 的开发与研制 ， 对超疏 水材料提 出 了更 苛刻的协 同界面要 求， 同时具 如 有 高 的透 明性 ，导 电 能力 ，环 境 响应 性 等 【。 然而 ， １ 】 Ｂａｔ ｏｔ］ ｕ 等人 【通过 荷叶等生物表 面 的研 究 ，发 ｒ ｌｔ２ ｈ ［和Ｇ ｏ ３ 】 现其 超 疏 水现象 是 由表 面 的化 学状 态 与纳米 结 构共 同 作用 的结果 。 使得 目前 超疏水材 料 的制 备主要 是通 过 这 改变表 面化学 结构和表 面粗糙 结构来获取 ， 在获 得超 疏 性 的同时 ，其它很 多的重要 性能却 丧失 了。光学 性能对 于很 多器件来 说是一个 非常重 要的性质 ，然 而，从粗糙 角度 而 言 ，超 疏 水性和 透 明 性之 间又 是一 个冲 突 的过 程 ，增加粗糙 度 ，增 强疏 水性 的同时却增 加 了光 的Ｍｉ ｅ 散射 ，影响 了薄膜材 料 的透 明性 能。因此 ，把 粗糙尺 】 度 控制 在一 个 合适 的 范 围，是 满足 两 者性 能 需求 的关 键 。Ｔ ｄ ｎｇ ｔ ｌ ａ ａ ｍａｅ ａ 人 ，在 玻璃表面 ａａ ａ ａ 和Ｎ ｋｊ ｔ ｌ 等 ｅａ ｉ ｐ 上通 过溶胶凝 胶法制 备 了透 明 的超疏 水勃姆石 涂层 ， 并 且 ，他 们 的 工 艺 能 够 精 确 的 把 粗 糙 尺度 控 制 在 ２ ． ０－ ￣
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刘
毅 等 ：热 氧化 法 制 备透 明超 疏 水 Ｚ Ｏ 薄膜 ｎ
热氧 化法制备 透 明超疏 水 Ｚ Ｏ 薄膜 ｎ
刘 毅 ，谭 天 ，宋 雪梅 ，李 耳 ，王 波 ，严 辉
（ 北京工业大 学 材料学 院 ，薄膜材 料与 技术实验 室， 北京 １０ ２ ） ０ ０ ２
想。
１ 引 言
润湿 性是 固体表 面 的重要特 征之 一 ， 水的接触 角 与
＞１ ０ ５ 。的超疏 水表面 具有 防水 、防污染 等多种 功能 ，
本工作通 过一种 简单 的工艺 ， 利用磁控溅射 技术在 高 阻单 晶硅 ０ｏ ） 普通 玻璃 衬底 上 沉积 锌薄膜 作 为前 ｏ和 驱 体，发现通 过调控 Ｚ ｎ薄膜 的厚度 、形貌和热 氧化 时 间、气压等 参数 ，可 得到 ０ １ １ ～ ５ 。大范 围内，透 光率达 ８ ％的大 面积 超 疏 水 薄膜 ， 并且 进 一 步利 用扫 描 电镜 ５ （ Ｅ ） Ｒ 以及紫外 光谱 （Ｒ）分析讨 论了工艺参 ｓ Ｍ 、Ｘ Ｄ Ｉ 数 及其对 薄膜 疏水性 能和透 明性的影 响。