第2章　激光加工與自組裝構建硅/鎂基超疏水表面

單晶硅作為一種半導體材料，廣泛應用在制造半導體元器件領域，也是構建微/納電子機械系統[117]的重要原料。MEMS/NEMS作為集微機構、微傳感器、微執行器和微電子器件于一體的微型裝置或系統，其經過近二十多年的發展，已取得長足的進步。盡管每年都有大量的關于MEMS/NEMS裝置或產品被報道，但目前只有一小部分被成功推向市場，究其原因，黏附與摩擦問題是限制MEMS/NEMS廣泛應用的最主要因素[118～121]。人們對MEMS/NEMS的研究發現，伴隨著系統特征尺寸的不斷減小，微尺度下的物理現象與宏觀世界呈現出較大的差異，最顯著的特征就是呈現出尺寸效應與表面效應。因此，隨著尺寸不斷減小，與尺度效應、表面效應密切相關的毛細吸附力（capillary force）[122，123]，范德瓦耳斯力（Van der Walls force）[124，125]，靜電力（electrostatic forces），卡西米爾力（Casimir force）和氫橋鍵力（Hydrogen-bridge）[126]等均不可忽略。

人們對自然生物界超疏水表面的研究發現，許多超疏水表面具有低黏附、自清潔的特性，通過對材料進行超疏水改性處理，可以有效地控制材料表面層的潤濕、黏著、潤滑和磨損性能等，在MEMS/NEMS領域具有廣泛的應用前景[127，128]。因此，近年來對單晶硅進行超疏水改性處理越來越受到關注。

輕金屬鎂及其合金具有比強度高、比剛度高、熱疲勞性能好、良好的生物相容性，通過對鎂及其合金進行超疏水改性處理，獲取鎂基超疏水表面，可以進一步擴大鎂及其合金的應用范圍。如將超疏水性鎂合金應用在MEMS/NEMS中[129～131]，可以改善其黏附與摩擦問題；鎂基超疏水材料在自清潔表面、航空航天飛行器和戶外天線的防覆冰、軍用艦艇外表面流體減阻、材料表面防氧化和防止電流傳導等方面均有廣泛的應用。

激光加工[132，133]是近幾十年來發展起來的一種實現材料表面微造型的有效技術手段，基于激光自身具有光束單色性強、能量密度高、傳遞快速、空間和時間的可控性良好等優點，激光微造型不僅高效精密，而且成本低、易操控、通過在材料表面形成一定厚度的處理層，可以改善材料表面的力學性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能，可以滿足各種不同的使用要求[134]。目前它已廣泛應用于材料加工和表面改性處理等領域。

自組裝分子膜（Self-assembled monolayers，簡稱SAMs）成膜技術具有熱力學穩定、分子排列致密有序、與基體結合良好、成膜不受表面形狀粗糙度影響、可人為對分子結構進行操作控制來獲得預期界面性質等優點[135～138]。自組裝分子膜是基片在接觸到具有表面活性的有機溶劑過程中，通過固液界面的化學吸附，將活性劑分子的反應基（頭基）與基片表面物質自動發生連續的化學反應，基片表面形成緊密排布的由化學鍵連接的有序二維單層膜，同層內分子間的作用力主要為范德瓦爾斯力和靜電力，自組裝分子膜的組成結構及反應示意圖如圖2.1所示。

圖2.1　SAMs的組成結構及反應示意圖[135]

由圖可見，自組裝分子膜的組成結構主要由三部分組成：①分子頭基，與基底表面以離子鍵（如CO-2、Ag+）或共價鍵（如Si—O鍵及Au—S鍵等）相結合，該反應過程為放熱反應，活性分子會盡可能地與基底表面反應點相結合；②分子的烷基鏈，烷基鏈相互之間通過范德瓦爾斯力作用（如果烷基鏈自身帶有極性基團，則存在靜電作用）從而實現在固體表面形成有序緊密排列；③分子末端基團，如—CH3、—OH、—COOH、—NH2以及—CF3等，通過選擇末端基團可以獲得具有不同物理化學性能的表面，從而實現人為控制分子結構，以期獲得預期界面性質。

近年來隨著人們對自組裝技術研究的不斷深入，自組裝分子膜在減摩[139～142]等方面的優點使其在MEMS/NEMS等領域具有廣泛的應用前景[143～145] 。

本章對硅、鎂合金表面通過激光加工在基底表面構建微結構，再利用低表面能物質自組裝分子膜來進行表面修飾，從而制備出具有超疏水性的硅基、鎂合金基底表面。