纳米织构化表面及其摩擦学

Capillary Force Lithography By Kahp Y. Suh, Yun S. Kim, and Hong H. Lee Adv. Mater. 2001, 13, No. 18, September 14
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
在硅（100）面上旋转涂胶聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA），利用聚氨酯丙烯酸酯（PUA） 形成印章得到图案化的PMMA图案。
SEM image of nano-patterned polymeric surface (40,000×).
Tribological properties of bio-mimetic nano-patterned polymeric surfaces on silicon wafer E.-S. Yoon, R.A. Singh, H. Kong, B. Kim, D.-H. Kim, H.E. Jeong and K.Y. Suh Tribology Letters, Vol. 21, No. 1, January 2006
Friction of chemically and topographically modified Si (1 0 0) surfaces R. Arvind Singh, Eui-Sung Yoon Wear 263 (2007) 912–919
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
第二种方法：利用莲叶和芋叶的复 制法。 PDMS：聚二甲基硅氧烷 PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯 PET：聚对苯二甲酸乙二醇酯 PUA：聚氨酯丙烯酸酯 The step-wise processing sequence of (A) Lotus-like and (B) Colocasialike polymeric surfaces using capillary force lithography.
Capillary Force Lithography By Kahp Y. Suh, Yun S. Kim, and Hong H. Lee Adv. Mater. 2001, 13, No. 18, September 14
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
Friction measurements at nano-scale
接触角越小，亲水性越强，这是由于大气 中水冷凝产生的毛细管力在粘着力中贡献 最大。接触角越大，疏水性越强，接触表 面的粘着力越小，摩擦力就越小。另外摩 擦力还与接触面积有关： Ff = τAr, τ is the shear strength, an interfacial property and Ar the real area of contact.
Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
SEM images of real surfaces: (A) Lotus (Nelumbo nucifera) leaf and (B) Colocasia (Colocasia esculenta) leaf. SEM images of replicated surfaces: (C)Lotus-like and (D) Colocasia-like surfaces. Magnification 1000×.
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Introduction：莲花效应（荷花效应）
在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在超高分辨率显微镜下可 以清晰看到，荷叶表面上有许多微小的乳突乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。 而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的 “小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在 “山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气 层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气， 只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球 在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是“莲花效应”能自洁叶面的奥妙所在。
修正的Amonton定律：FL=μFN+F0
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Friction measurements at nano-scale
Nano-scale friction tests were conducted using a commercial atomic force microscope (Multimode SPM, Nanoscope IIIa,Digital Instruments).摩擦实验在横向 力显微镜下，应用一个半径为0.5μm的玻璃硼硅酸盐球安装在三角悬臂上（接触 模式，氮化物针尖，弹性常数：0.58 N/m）；载荷：0-80nN，扫描速度2μm/s，扫 描区域：5μm×5μm，每次试验重复15次。 of Si (1 0 0) wafer and DLCs with the applied normal load at nano-scale. Amongst the DLCs, 1μm thick sample has lower contact area than the 100 nm thick sample, which is due to its higher elastic modulus (Table 1).
Introduction
随着现代科技的进步，人们不断追求制造出尺度越来越小，而性能越来 越完善的微型装置。80年代中后期兴起的微型机械（micro machine）或称 微型机电系统（micro electro-mechanical system, MEMS）的研究集中反映 了这一发展趋势。微型机械具有体积小、质量轻、能耗低、集成度高和智 能化程度高等一系列特点，而被认为在生物、医学、通信、工业、农业、 航空航天、军事等方面有着广阔的应用前景。相对于传统机械而言，微型 机械的摩擦问题显得十分突出，由于尺寸效应的影响，作用在表面上的摩 擦力和润滑膜粘滞力对于微型机械性能的影响要比体积力大很多 。大量研 究表明，有序分子膜技术的发展为解决这一问题提供了新的机遇。根据成 膜的机理不同，主要分为：LB(Langmuir-Blodgett)膜、自组装膜 (selfassembled monolayers，SAMs)、分子沉积膜 (molecular deposition film， MDF)等。由于自组装膜通过化学键与基底结合，因此与LB膜相比，稳定 性较好，其在摩擦学中有更好的应用前景。
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An ultraviolet-curable mold for sub-100-nm lithography Se-Jin Choi, Pil J. Yoo, Seung J. Baek, Tae W. Kim, and Hong H. Lee J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126, 7744-7745
举例：采用聚二甲基硅氧烷 polydimethylsiloxane(PDMS)为 弹性体模板，聚合物用聚苯乙 烯polystyrene (PS)或苯乙烯-丁 二烯-苯乙烯styrene-butadienestyrene (SBS)共聚物。用硅 （100）面作为基底。 通过photolithography or the electron-beam method来得到 PDMS模板。
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纳米织构化表面及其 摩擦学
2012.08.20
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Contents
1 2 3 4
Introduction
Topographically modified Si
Chemically modified Si
Experimental
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
制备模板：利用带有 丙烯酸酯基团的预聚 物，在光引发剂作用 下，发生聚合反应， 产生模板，加入释放 剂是为了，使模板容 易分离下来。 制得聚氨酯丙烯酸酯 （PUA）模板。
而接触面积又于载荷有关：
R is the size of the ball, K the effective elastic modulus, Fn the applied normal load and γ is the interfacial energy of the material. 接触角大的表面，表面的界面能更低，接触面积也就更小。
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
Nano-patterns of PMMA with three different aspect ratios on silicon wafer were fabricated using a simple capillarity-directed soft lithographic technique called capillary force lithography（CFL）. PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯 聚氨酯丙烯酸酯（PUA）模板
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Chemically modified Si (1 0 0) surfaces
第一种方法：作者采用射频等离子体辅助化学气相沉积的方法，以苯作为反应气体，在硅（ 100） 面沉积碳膜，依据沉积时间来确定沉积膜的厚度，制得厚度为 100nm和1μm的diamond-like carbon (DLC) films。 第二种方法，作者在羟基化得硅（100）面，通过化学气相沉积二甲基二氯硅烷（DMDC，40℃， 4h）和二苯基二氯硅烷（DPDC，185℃，3h），制得DMDC-SAM和DPDC-SAM薄膜。
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Topographically modified Si (1 0 0) surfaces
在（B）中可以看到弯月形的表面，这是毛细管现象的显著特征。
(A) Low magnification SEM image of nano-patterns (top view) (15,000×) and (B) high magnification SEM image of a single nano-asperity of the nano-patterned surface (200,000×).