电泳沉积法制备超疏水ZnO薄膜

　第38卷增刊 人　工　晶　体　学　报 Vol .38S pecial Editi on 2009年8月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS August,2009

电泳沉积法制备超疏水Zn O 薄膜

何新华1,2,陈志武1,2,李　茂1,罗　磊1

(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640;2.湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室,湘潭411105)

摘要:采用电泳沉积法在I T O 导电玻璃基片上制备超疏水Zn O 薄膜,研究了电流强度、沉积时间和缓冲层对薄膜的

晶相、显微结构、透光度和润湿性的影响。利用SE M 和XRD 表征薄膜的表面形貌和晶相组成。结果表明:所沉积

的薄膜主要由Zn O 和Zn (OH )2两相组成,在空气中放置一段时间后全部转变为Zn O 相,电泳沉积膜是由Zn O 纳

米晶片无序排列组成的网状结构。电流强度和缓冲层对薄膜的形貌影响较大,较高的电流强度可获得大孔洞的网

状结构,涂覆Zn O 缓冲层显著改善了薄膜的均匀性。

关键词:Zn O;电泳沉积;疏水性;网状结构

中图分类号:O647 文献标识码:A 文章编号:10002985X (2009)S120137204

Preparati on of Super 2hydrophobi c ZnO Fil m s by Electrophoreti c Depositi on

HE X in 2hua 1,2,CHEN Zh i 2w u 1,2,L I M ao 1,LUO L ei 1

(1.College of Materials Science &Engineering,South China University of Technol ogy,Guangzhou 510640,China;

2.Key Laborat ory of Low D i m ensi onalMaterials &App licati on Technol ogy of M inistry of Educati on,

Xiangtan University,Xiangtan 411105,China )

Abstract:Super 2hydr ophobic ZnO fil m s were fabricated on conductive I T O glass substrates by

electr ophoretic depositi on (EP D ).The effect of current density,depositi on ti m e and buffer layer on the

crystal phase,m icr ostructure,trans m ittance and wettibility were investigated .Surface mor phol ogy and

phase compositi on were characterized by SE M and XRD.The results indieated the as 2deposited fil m s

mainly consist of ZnO and Zn (OH )2t w o phase,and Zn O phases were co mp letely for med after exposing t o

the air f or a l ong ti m e .Zn O fil m s were reticular structures with random arrange ment of nano crystal

p lates .Current density and buffer layer have great effect on the mor phol ogy of ZnO fil m s .Reticular

structures with large gap s are obtained at a large current density,and ZnO coated buffer layer would

enhance the unifor m ity of as 2deposited Zn O fil m s re markably .

Key words:Zn O;electr ophoretic depositi on (EP D );hydr ophobicity;reticular structure

基金项目:广东省科技计划项目(2007A010500012);华南理工大学国家大学生创新性实验计划(B092Y9080040);低维材料及其应用技术

教育部重点实验室开放课题资助课题(KF0701)

作者简介:何新华(19692),女,河北省人,博士,副教授。E 2mail:i m xhhe@scut .edu .cn

1　引 言

接触角大于150°的超疏水氧化物薄膜或表面在防水、防雾、自清洁、抗氧化、抗菌、防霉、无损液体传输等方面极具应用价值,因而,对各种氧化物薄膜材料的疏水性研究引起人们极大兴趣。超疏水表面需要合适的表面粗糙度和低的表面能,通常采用物理、化学等方法来构建表面微细结构以提高表面粗糙度,同时在微细结构化表面上修饰低表面能的物质来获得超疏水表面。迄今为止,人工超疏水表面的构建研究已取得相

138　人工晶体学报

第38卷当大的进展,发展了多种方法,并成功的制备出Si O 2[123]、Ti O 2[4]、Zn O [527]、SnO 2[8]、A l 2O 3[9]等多种超疏水性

氧化物薄膜。Zn O 薄膜具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质,在透明导体、发光元件、高频压电转换器、表面声波元件、微传感器等方面应用广泛。同时它还是一种原料丰富、成本低廉、无毒无污染的环保型材料。疏水性的研究对于将ZnO 用于各种器件亦非常重要。

电泳沉积法是利用电泳动现象,使带电胶体粒子在外电场作用下定向移动沉积在电极上形成致密微团结构的过程。该方法具有设备简单、成本低、成膜快、薄膜厚度均匀等优点,特别是薄膜不需要高温热处理,在高技术陶瓷、超导材料及薄膜等的制备中极具开发潜力。本文采用电泳沉积技术,以I T O 导电玻璃为电极、经适当低温热处理制备Zn O 薄膜。通过调整电泳沉积工艺条件以及随后的疏水化处理,制备具有疏水性的Zn O 功能薄膜材料,并对薄膜结构及性能进行表征。

2　实 验

将0.01mol/L 的乙酸锌溶解于80mL 的异丙醇中,在50℃连续搅拌1h 后冷却至室温,加入异丙醇使

溶液总体积达到200mL 。然后将该溶液加入到100mL 1.25×1022mol/L 的Na OH 异丙醇溶液中,搅拌2h

后,加入0.08mol/L 的硝酸锌,充分搅拌制备Zn O 电泳液。以清洁后的1c m ×2c m 的I T O 导电玻璃为电极,将两电极以2c m 的间距垂直平行插入电泳液中,在一定的电流强度和沉积时间下沉积薄膜。沉积完毕后,从电泳液中取出I T O 玻璃衬底后自然干燥,空气中放置1星期后,薄膜完全变为白色。然后将电泳膜放入葵基三乙氧基硅烷/乙醇溶液(10mmol/L )中,24h 后取出,用乙醇淋洗,在150℃加热2h 。

利用X 射线衍射仪(XRD,X’PertPRO,P ANalytical,荷兰)对薄膜进行成分和结构分析;利用扫描电子显微镜(SE M ,LE O 1530VP,德国)表征薄膜的表面形貌;利用紫外2可见分光光度计(普析,北京)分析薄膜的透光性能;采用接触角测量仪(OCA15,Dataphysics,德国)测量薄膜的疏水性能,接触角为随机测量的5个点所得值的平均。

3　结果与讨论

3.1　

晶相结构分析

图1　电泳沉积薄膜的X 射线衍射图Fig .1　XRD patterns of as 2p repared fil m s by EP D

图1是电流强度I =5mA 、不同沉积时间时在I T O

导电玻璃上所沉积薄膜的X 射线衍射图,图1(c )是沉

积时间t =10m in 时所得薄膜在空气中自然放置一星

期后的XRD 图。由图可知,未在空气中放置的刚沉积

的薄膜的衍射峰较弱,并存在较多的衍射峰;放置一周

后薄膜的衍射峰显著增强,表明结晶度增加,并且各衍

射峰基本上只有单一的Zn O 相(JCP DS:3621451),2

θ为31.74°、34.38°、36.22°、47.5°、56.58°、62.82°的ZnO

衍射峰已指数化于图1中。而刚沉积的薄膜除了出现

了Zn O 的三强峰之外,还在2θ为30.74°和50.14°处

出现两个明显的衍射峰,这可以看成是和Zn (OH )2

(JCP DS:4121359)的谱线相对应的,因为使用Na OH 或L i O H 作为合成Zn O 胶体悬浮液的起始材料容易导致氢氧化物的形成[10,11]。在空气中放置一周后,由于Zn

(OH )2在空气中极易反应生成ZnO ,所以电泳膜基本上为具有纤维锌矿结构的ZnO 多晶膜。图1(a )、(b )的XRD 谱线除强度有所差别外,曲线形状基本相似,说明沉积时间对薄膜晶相的影响不大。

3.2　显微结构分析

图2示出电流强度I =5mA 时分别沉积2m in 、5m in 和10m in 后I T O 导电玻璃上所得ZnO 薄膜的SE M 图。在导电玻璃基片上布满了厚度约几十纳米的花瓣状纳米晶片阵列,各晶片无序排列,沿着垂直于基片的