专利名称：超薄纳米离子液体润滑膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种超薄纳米离子液体润滑膜的制备方法。
背景技术：
通讯行业、航空科技、生物医学以及芯片实验室中的微电机装置、微小系统、纳米 科技、纳米电机装置最近发展迅速。这些装置大多是利用传统半导体工艺由单晶或多晶硅 制造。其他一些材料，如氮化硅、碳化硅、镍以及类金刚石碳等也被使用。这些材料常常以 纳米膜的形式被沉积到硅基底上以增强材料的强度、耐磨性以及抗腐蚀能力。在频繁的接 触中，如果没有有效的润滑，这些部件的寿命是非常短的。因此，有效的润滑膜对这些微/ 纳米器件的实际应用具有极其重要的意义。 在过去的一些研究中，LB膜、自组装薄膜、聚合物超薄膜等润滑方法均受到了广泛 关注。由硅烷偶联剂等制备出的具有纳米尺度和有序结构的自组装薄膜具有较好的摩擦学 性能，全氟聚醚作为薄膜润滑材料已成功地应用于磁记录工业中(US patent 112238)。
由于离子液体具有优良的物理和化学特性，近年来，离子液体在摩擦学方面的性 能受到广泛关注，已经证实离子液体作为润滑油具有良好的减摩抗磨性能。此外，离子液体 制备成润滑薄膜后，也具有较好的摩擦学性能。然而，目前制备的离子液体薄膜厚度一般在 30 50nm，这一厚度对于接触表面之间通常只有几个纳米的微/纳米器件来说显然是不适 用的，此外，所用的基体材料通常要用硅烷偶联剂等进行表面预处理以改善离子液体在表 面的均匀性，这也会在一定程度上增加薄膜的总体厚度，并且使制备过程繁琐、制备成本升 高。因此，发展基底表面无需官能化的超薄离子液体纳米薄膜的制备技术具有重要的意义， 将更有利于实现离子液体薄膜在微/纳米器件上的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种直接在单晶硅片表面制备离子液体纳米薄膜的方法。
本发明的特点在于不必引入其他官能团即能在单晶硅片表面形成连续、均匀的纳 米尺度的离子液体润滑膜，且具有较好的摩擦磨损性能。
本发明的制备方法包括以下步骤
a基底材料的预处理 将单晶硅片依次用二次蒸馏水、丙酮超声清洗，然后用干燥氮气吹干，最后置于紫 外光下照射1 6小时得到表面活化的单晶硅片；
b离子液体薄膜的制备 将表面活化的单晶硅片浸渍在离子液体的丙酮溶液中，控制浸渍时间2 10分 钟，提拉速度2 8mm *s—1得到涂有离子液体薄膜的单晶硅片；其中离子液体选自甲基丁基 咪唑四氟硼酸盐或甲基丁基咪唑六氟磷酸盐；
c热处理 将涂有离子液体薄膜的单晶硅片在90°C 12(TC下处理1 3小时，即可得到厚度为2 5nm的离子液体薄膜。 在上述方法中，离子液体的丙酮溶液中离子液体质量分数为0. 05% 0. 2%。
本发明所用离子液体用下述方法制备 向乙醇钠的乙醇溶液中加入咪唑和溴代甲烷回流反应得到甲基咪唑。向甲基咪唑 中滴加溴代正丁烷，反应回流后再向其中滴加四氟硼酸钠或六氟磷酸铵水溶液得到甲基丁 基咪唑四氟硼酸盐或六氟磷酸盐。 制取离子液体参考文献R. Hagiwara， Y. Ito， Room temperature ionic liquids
ofalkylimidazolium cations and fluoroanions. J. Fluor. Chem. 2000，105(2)，221-227。 在上述基底材料的预处理过程中，用二次蒸馏水及丙酮超声清洗可除去附着在单
晶硅片表面的污染物，然后使用紫外光照射增加硅片的表面能使硅片表面活化。 在离子液体薄膜制备的过程中，离子液体溶液的浓度、单晶硅片在溶液中的停留
时间以及提拉速度都会对制得的离子液体薄膜的厚度产生一定程度的影响，一般来说，溶
液浓度越大、停留时间越长、提拉速度越小，制备出的离子液体薄膜越厚，反之薄膜厚度越小。 热处理主要是为了提高离子液体与单晶硅片表面的结合力，并除去薄膜中吸附的 少量溶剂及水以使薄膜更加均匀致密。 本发明制备的离子液体纳米润滑膜具有良好的摩擦学性能，即使在较高载荷和速
度下也具有很低的摩擦系数和较长的耐磨寿命。 摩擦磨损测试方法如下 选用美国CETR公司UMT-2MT微摩擦试验机对薄膜的摩擦系数和耐磨寿命进行评 价。往复运动行程为5mm，法向载荷为0. 1 0. 4N，滑动速度为10mm s—1 40mm s—、摩 擦系数由电脑自动记录，当摩擦系数上升至0. 4时认为薄膜已经失效，此时所经历的滑动 时间即为薄膜的耐磨寿命，由此可以计算出对偶在薄膜上的滑动次数。对偶选用03GCr15 钢球。测试结果为载荷0. 4N，滑动速度为40mm s—1时，耐磨寿命超过14万次。
本发明得到的润滑薄膜总厚度为2 5nm，为解决微观条件下的润滑和失效问题 提供了新的途径。具体可望应用于微/纳机电系统(MEMS/NEMS)、磁记录系统等领域。
我们认为，本发明的方法普适性好，很多离子液体，如大部分烷基咪唑类，都可以 适用于这一制备方法。 与已有制备技术相比，本发明的实质性特点是 1.使用紫外光照射代替传统的基底表面官能化，不仅减小了薄膜的总体厚度，并 且简化了制备过程，降低了制备成本。 2.制备的离子液体薄膜厚度最小可达2 5nm，远远低于以往制备的离子液体薄 膜，大大提高了离子液体薄膜在微/纳米器件上应用的可能性。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明，现在举例加以说明。
实施例1 : A将单晶硅片切割成10mmX 15mm小块，依次用二次蒸馏水、丙酮超声洗清10 20 分钟，然后用干燥氮气吹干，得到表面清洁的单晶硅片。将清洁的单晶硅片置于紫外光下照
4射2小时。 B将紫外光照射过的单晶硅片浸渍到质量分数为0. 1%的甲基丁基咪唑六氟磷酸 盐的丙酮溶液中。在溶液中停留2分钟后提起，控制提拉速度为2mm s—、得到涂有离子液 体薄膜的样品。 C将涂有离子液体薄膜的样品在ll(TC下处理1小时，得到的薄膜厚度为2nm左 右。用扫描电子显微镜观察可以看到薄膜表面非常均匀。
摩擦学性能 对GCrl5钢球摩擦磨损试验结果表明载荷为0. 1 0. 4N，滑动速度为40mm s一1 时，薄膜的摩擦系数稳定值为0. 05 0. 07，耐磨寿命超过10000次(此时的摩擦系数仍 低于0.07)，经历了 10000次滑动之后薄膜的摩擦系数仍然相当稳定。钢球在薄膜上经历 10000次滑动摩擦过程后磨斑处扫描电子显微镜照片显示钢球表面只有很小的磨斑，磨斑 直径小于20ym。而同样条件下的钢球在空白基底上滑动IOO次之后表面的磨斑直径就能 够超过100 ym。在滑动摩擦过程中离子液体薄膜对表面的保护作用是相当明显的。
相对较低载荷下本发明所制备的薄膜具有优良的润滑、抗磨性能，能够解决摩擦
副在较低载荷下的润滑问题。
实施例2 : 利用同实施例1步骤A的方法得到清洁的硅片。将清洁的硅片置于紫外光下照射 4小时。 将紫外光照射过的单晶硅片浸渍在质量分数为0. 1%的甲基丁基咪唑四氟硼酸盐 的丙酮溶液中，其他操作步骤同实施例1步骤B。
操作步骤同实施举例1步骤C。 对GCrl5钢球摩擦磨损试验结果表明在载荷为0. 1 0. 4N，滑动速度为10 40mm *s—1时，该方法制备的离子液体薄膜的摩擦系数稳定值为0. 07 0. ll，耐磨寿命最长 超过7000次。
实施例3 : 利用同实施例1步骤A的方法得到清洁的硅片。将清洁的硅片置于紫外光下照射 6小时。 将紫外光照射过的单晶硅片浸渍在质量分数为0. 2%的甲基丁基咪唑六氟磷酸盐 的丙酮溶液中，其他操作步骤同实施例1步骤B。 操作步骤同实施例1步骤C，得到的离子液体薄膜厚度为4nm左右。 该方法制备的离子液体薄膜在载荷为0. 4N，速度为40mm s—1时，对GCrl5钢球的
摩擦系数稳定在0. 06 0. 10，耐磨寿命超过10000次。
权利要求
一种超薄纳米离子液体润滑膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤a基底材料的预处理将单晶硅片依次用二次蒸馏水、丙酮超声清洗，然后用干燥氮气吹干，最后置于紫外光下照射1～6小时得到表面活化的单晶硅片；b离子液体薄膜的制备将表面活化的单晶硅片浸渍在离子液体的丙酮溶液中，控制浸渍时间2～10分钟，提拉速度2～8mm·s-1得到涂有离子液体薄膜的单晶硅片；其中离子液体选自甲基丁基咪唑四氟硼酸盐或甲基丁基咪唑六氟磷酸盐；c热处理将涂有离子液体薄膜的单晶硅片在90℃～120℃下处理1～3小时，即可得到厚度为2～5nm的离子液体薄膜。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于离子液体的丙酮溶液中离子液体质量分数为 0. 05% 0. 2%。
全文摘要
本发明公开了一种超薄纳米离子液体润滑膜的制备方法。润滑膜用浸涂法制备，薄膜总厚度为2～5nm，可望应用于微/纳机电系统、磁记录系统等领域。
文档编号C10M177/00GK101735883SQ20081017537
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者朱敏, 白明武, 赵文杰 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所