APTES自组装单分子膜的制备和表面性质的表征

论文摘要

3-氨基丙基三乙氧基硅烷自组装单分子膜（3-aminopropyltriethoxysilaneSelf-Assembled Monolayer,APTES SAM）因其具有特殊的表面性质,在纳米材料制备、纳米生物工程、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）和生物传感器等纳米基础研究领域具有广泛的应用价值和重要的研究意义。但迄今为止,对APTES SAM的制备方法及其表面性质进行研究的文献中存在着很大的分歧和争论。论文在总结前人研究成果的基础上,对APTES SAM的制备技术和表面性质的表征进行了较为系统的研究,获得了APTES SAM在Si（100）固体基表面上的形成动力学曲线,并采用AFM、XPS和椭圆偏振光仪等实验技术手段对APTES SAM的表面性质进行了研究。论文获得的成果对APTES SAM的制备和相关基础领域的研究工作具有一定的参考价值。论文首先采用接触角的测量方法,对APTES SAM在Si（100）固体基表面上的形成动力学进行了研究,获得了APTES SAM的形成动力学曲线。对APTESSAM形成动力学的研究表明,当反应温度控制在18.0±0.1℃时,在1×10-3mol/L的APTES-甲苯溶液中,经过约30min的反应,一个结构较为稳定的APTES SAM已经形成,其表面的初始接触角约为50°±2°,前进接触角为45°±2°。论文采用椭圆偏振光仪对APTES SAM样品的膜厚进行了测定,发现所制备的APTESSAM的膜厚约为0.5±0.1nm。对样品表面元素组成的XPS分析显示,APTESSAM样品表面的碳、氮元素比约为6:1,表明经过30min反应形成的APTESSAM,平均每个APTES分子上有1到2个乙氧基发生了水解。对APTES SAM样品表面形貌的AFM分析表明,APTES SAM的内部结构并不规整致密,表面结构呈疏松的毛绒状,样品表面的平均粗糙度RMS（Root mean roughness）约为0.131nm/2μm×2μm。论文还采用前进、后退接触角,静、动态接触角等技术以及相关的理论模型对APTES SAM样品表面的接触角滞后现象进行了实验和理论研究,揭示了APTES SAM是一个典型的非理想性表面,其表面的接触角滞后现象十分显著。论文认为,由于APTES SAM内部结构的不致密和表面氨基的存在,当水滴与样品表面进行接触时,水滴中的水分子将会在毛细力的作用下对APTES SAM的表面和内部发生渗透作用,并与样品表面的氨基基团相互作用形成氢键,造成APTES SAM表面显著的非理想性和严重的接触角滞后现象。实验中发现,（1）APTES SAM样品表面接触角对液滴在样品表面上的停留时间十分敏感,接触角将随着液滴在样品表面停留时间的延长以平均每分钟3°的速率迅速减小;（2）APTES SAM样品表面的（静态）后退接触角对液滴体积具有强烈的依赖性,后退接触角随样品表面液滴体积的减小呈线型下降;（3）APTES SAM表面的动态前进接触角受样品表面液滴的加液速率的影响非常明显,样品表面的动态前进接触角将随着加液速率的提高而增大。相比较而言,APTES SAM样品表面的静态前进接触角非常稳定,不受液滴体积大小的影响。论文认为,采用静态前进接触角对APTES SAM表面润湿性进行表征比较科学和准确,其结果也更加稳定、可靠。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 论文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 文献综述
• 2.1 APTES SAM
• 2.1.1 APTES SAM的应用
• 2.1.1.1 以APTES SAM作为基底嫁接其他分子的研究
• 2.1.1.2 利用APTS SAM进行微图案制备的研究
• 2.1.1.3 利用APTS SAM固定蛋白质和DNA分子的研究
• 2.1.1.4 利用APTS SAM制备金属镀层的研究
• 2.1.1.5 利用APTS SAM进行微机电系统方面的研究
• 2.1.2 APTES SAM的制备和表征
• 2.1.2.1 APTES SAM的制备条件
• 2.1.2.2 APTES SAM表面接触角的表征
• 2.1.2.3 APTES SAM表面的XPS分析
• 2.1.2.4 APTES SAM的膜厚
• 2.1.2.5 APTES SAM表面形貌的AFM表征
• 2.2 表面润湿现象和接触角
• 2.2.1 表面润湿现象和接触角的理论及模型的概述
• 2.2.1.1 理想表面接触角的理论和模型—杨氏方程
• 2.2.1.2 粗糙表面接触角的理论和模型—Wenzel方程
• 2.2.1.3 化学组成不均一表面接触角的理论和模型—Cassie方程
• 2.2.2 接触角的滞后现象
• 2.2.2.1 固体表面的粗糙度
• 2.2.2.2 固体表面的组成不均一
• 2.2.2.3 固体表面分子重排或氢键和化学键的形成
• 2.2.2.4 液滴分子对固体表面的渗透
• 2.2.3 接触角测量方法
• 2.2.3.1 躺滴法（Sessile drop method）
• 2.2.3.2 气泡法（Gas bubble method）
• 2.2.3.3 斜板法（Tilting plate method）
• 2.2.3.4 圆柱法（Floating cylinder method）
• 2.2.3.5 Wilhelmy法
• 2.2.3.6 其他接触角测量方法
• 2.2.4 接触角测量的影响因素
• 2.2.4.1 液滴体积对接触角测量的影响
• 2.2.4.2 温度对接触角测量的影响
• 2.2.4.3 液滴在样品表面停留时间对接触角测量的影响
• 2.2.4.4 液滴蒸发对接触角测量的影响
• 参考文献
• 第三章 实验方法
• 3.1 药品和材料
• 3.2 单晶硅基底的预处理
• 3.2.1 硅片的切割
• 3.2.2 硅片的清洗
• 3.2.3 硅片的刻蚀
• 3.2.4 硅片的氧化
• 3.3 APTES SAM和OTS/APTES混合SAM的制备
• 3.3.1 APTES SAM的制备
• 3.3.2 OTS/APTES混合SAM的制备
• 3.4 APTES SAM样品的表征
• 3.4.1 接触角的测量
• 3.4.2 AFM
• 3.4.3 XPS
• 3.4.4 Ellipsometry
• 参考文献
• 第四章 结果与讨论
• 4.1 APTES SAM的形成动力学研究
• 4.2 APTES SAM样品表面接触角表征的研究
• 4.2.1 液滴在样品表面停留时间对接触角的影响
• 4.2.2 APTES SAM样品表面接触角滞后现象的研究
• 4.2.3 非理想表面接触角测量中若干问题的讨论
• 4.2.3.1 接触角的拟合方法
• 4.2.3.2 静态和动态前进接触角的比较
• 参考文献
• 第五章 结论
• 附录
• 致谢