第2章　激光加工与自组装构建硅/镁基超疏水表面

单晶硅作为一种半导体材料，广泛应用在制造半导体元器件领域，也是构建微/纳电子机械系统[117]的重要原料。MEMS/NEMS作为集微机构、微传感器、微执行器和微电子器件于一体的微型装置或系统，其经过近二十多年的发展，已取得长足的进步。尽管每年都有大量的关于MEMS/NEMS装置或产品被报道，但目前只有一小部分被成功推向市场，究其原因，黏附与摩擦问题是限制MEMS/NEMS广泛应用的最主要因素[118～121]。人们对MEMS/NEMS的研究发现，伴随着系统特征尺寸的不断减小，微尺度下的物理现象与宏观世界呈现出较大的差异，最显著的特征就是呈现出尺寸效应与表面效应。因此，随着尺寸不断减小，与尺度效应、表面效应密切相关的毛细吸附力（capillary force）[122，123]，范德瓦耳斯力（Van der Walls force）[124，125]，静电力（electrostatic forces），卡西米尔力（Casimir force）和氢桥键力（Hydrogen-bridge）[126]等均不可忽略。

人们对自然生物界超疏水表面的研究发现，许多超疏水表面具有低黏附、自清洁的特性，通过对材料进行超疏水改性处理，可以有效地控制材料表面层的润湿、黏着、润滑和磨损性能等，在MEMS/NEMS领域具有广泛的应用前景[127，128]。因此，近年来对单晶硅进行超疏水改性处理越来越受到关注。

轻金属镁及其合金具有比强度高、比刚度高、热疲劳性能好、良好的生物相容性，通过对镁及其合金进行超疏水改性处理，获取镁基超疏水表面，可以进一步扩大镁及其合金的应用范围。如将超疏水性镁合金应用在MEMS/NEMS中[129～131]，可以改善其黏附与摩擦问题；镁基超疏水材料在自清洁表面、航空航天飞行器和户外天线的防覆冰、军用舰艇外表面流体减阻、材料表面防氧化和防止电流传导等方面均有广泛的应用。

激光加工[132，133]是近几十年来发展起来的一种实现材料表面微造型的有效技术手段，基于激光自身具有光束单色性强、能量密度高、传递快速、空间和时间的可控性良好等优点，激光微造型不仅高效精密，而且成本低、易操控、通过在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能，可以满足各种不同的使用要求[134]。目前它已广泛应用于材料加工和表面改性处理等领域。

自组装分子膜（Self-assembled monolayers，简称SAMs）成膜技术具有热力学稳定、分子排列致密有序、与基体结合良好、成膜不受表面形状粗糙度影响、可人为对分子结构进行操作控制来获得预期界面性质等优点[135～138]。自组装分子膜是基片在接触到具有表面活性的有机溶剂过程中，通过固液界面的化学吸附，将活性剂分子的反应基（头基）与基片表面物质自动发生连续的化学反应，基片表面形成紧密排布的由化学键连接的有序二维单层膜，同层内分子间的作用力主要为范德瓦尔斯力和静电力，自组装分子膜的组成结构及反应示意图如图2.1所示。

图2.1　SAMs的组成结构及反应示意图[135]

由图可见，自组装分子膜的组成结构主要由三部分组成：①分子头基，与基底表面以离子键（如CO-2、Ag+）或共价键（如Si—O键及Au—S键等）相结合，该反应过程为放热反应，活性分子会尽可能地与基底表面反应点相结合；②分子的烷基链，烷基链相互之间通过范德瓦尔斯力作用（如果烷基链自身带有极性基团，则存在静电作用）从而实现在固体表面形成有序紧密排列；③分子末端基团，如—CH3、—OH、—COOH、—NH2以及—CF3等，通过选择末端基团可以获得具有不同物理化学性能的表面，从而实现人为控制分子结构，以期获得预期界面性质。

近年来随着人们对自组装技术研究的不断深入，自组装分子膜在减摩[139～142]等方面的优点使其在MEMS/NEMS等领域具有广泛的应用前景[143～145] 。

本章对硅、镁合金表面通过激光加工在基底表面构建微结构，再利用低表面能物质自组装分子膜来进行表面修饰，从而制备出具有超疏水性的硅基、镁合金基底表面。