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氢氟酸液滴在硅片表面自发运动的研究

姚晰  
【摘要】:对于液体在固体表面上的各向异性浸润研究几十年来一直处在科学前沿的焦点。对于各种固体表面性质的大量研究,人们积累了丰富的实验和理论成果。由于各项异性浸润的科研领域包含着各种驱使液滴运动的能力和趋势,这方面的研究在生产生活和科研的诸多领域都有着广泛的应用。诸如水资源净化处理、雾水收集、液体资源的传输和储存以及DNA检测、生物分离和微流体、微孔道的器件开发和新的传动策略等方面。 多年来科研工作者们对于驱使液滴运动的各种方式方法展开了广泛的尝试和考察并取得了很多宝贵的成果。其中许多的研究已经在上述的应用领域中有了积极地尝试。在众多的驱动策略中人们在能够使液滴在均质的固体表面形成自支持的液滴运动的研究投入了很多精力。然而对于开发出真正的化学反应驱动液滴运动的体系或者脱离非极性溶剂体系的液滴运动研究的开展仍然一筹莫展。这一领域两方面的突破都将为自支持液滴运动的研究和普及带来新的春天。 工业单晶硅表面的处理技术在20年前就已经非常的成熟了。半导体硅的表面处理是实现其各种电学包括力学性能的稳定和优化的关键步骤。其中关于表面层的稳定方面,氢氟酸处理方法始终占据着主导的地位。这是因为一方面氢氟酸处理固体基底的时候不会对半导体硅的体相材料造成太多的损失,而是刚刚好把固体表面的氧化薄层刻蚀殆尽;另一方面,更主要的是因为这种处理的方法能够在固体表面生成一层致密的由氢原子作为端基的单层。硅-氢悬空键具有很高的键能(320 kJ/mol),因而这一表面层非常的稳定,能够在空气中维持数月而不发生明显的氧化。而且我们还注意到这一表面层具有很低的表面自由能。其水接触角为90°左右(在表面被氢氟酸充分刻蚀的情况下)。基于这样的实验事实我们思考:既然氢氟酸刻蚀硅基底能够将其表面自由能做出如此大的变化,那么这一固-液体系能否一举突破化学反应驱动和水相体系自支持液滴运动两个技术瓶颈呢?如果能,我们能够通过哪些因素的调节对液滴运动的参数进行有效地控制?它的驱动能力如何?具有哪些应用前景? 基于这样的选题思路,本论文的工作将从两方面展开。 在第二章当中,我们将对这一液滴运动的体系展开初步的观察和研究。首先对氢氟酸的各种物理参数进行测试,为接下来的理论推导做铺垫。然后对液滴运动进行初步的观察并发现,通过调节液滴的浓度和尺寸,液滴的运动速度得到了调节。同时我们又发现,液滴运动的速度受驱动力——也就是非平衡表面张力——的限制非常小。这体现在 (1)液滴速度对液滴的表面张力不敏感。 (2)液滴速度对初始固体表面的亲水性程度不敏感,只要低于一定的接触角即可。 (3)不同的液滴运动速度下倾向于产生相同的固体表面疏水性(均为60°左右)。 这些结论均与传统的关于液滴运动的研究结果不相符合,其中蕴含的机理有待下一章的深入探讨。 通过这一章的研究我们发现表面预处理尽管不能够对液滴的运动速度产生影响,但是对于高速运动,尤其是提高爬坡运动的成功率起着至关重要的作用。因为这些类型的运动对于表面的缺陷和污染都非常敏感。 在第三章中,我们对控制液滴运动的因素进行了更加深入的考察,得到的结论是:对于氢氟酸液滴运动体系的速度性能的主导因素是固-液界面化学反应的反应速率,而不是非平衡表面张力。因为非平衡的表面张力是随时间变化的,其大小同样是由化学反应的速率决定的。我们首次引入温度因素对这一结论进行了成功的论证。这一参数的引入还使液滴运动速度的范围扩大了两个数量级。 我们还对液滴驱动力的极限进行了考察,发现这一数值与理论的计算契合的非常好。我们通过俯瞰观察了液滴运动过程中的形貌变化并且提出了一个比较合理的“等自由能线”模型。对于自由滴落的氢氟酸在亲水固体基底表面的碰撞行为体现了化学能向机械能转化在碰撞反弹过程中的潜在应用价值。我们在这一过程中发现了氢氟酸极小液滴的运动行为,这种皮升级的自支持液滴运动的首次发现也为该种液滴运动未来在微流体器件开发中的应用奠定了坚实的基础。 最后我们通过图案化液滴运动的实验对氢氟酸在人工设计路径上的自如运动进行了示例,进一步预示了其在微流体技术中的应用前景。


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