论文部分内容阅读
近年来,疏水(油)亲水(油)材料被广泛应用于众多领域,例如生物制药、飞行器、造船业、纺织业、能源(太阳能)、电化学和微电化学等。金刚石(Diamond)具有已知材料硬度最高、化学稳定性好、热导率高、带隙宽等多个优异特性。金刚石的浸润性是其十分重要的一个特性,与金刚石晶体取向、表面能、表面氢(氧)终止等密切相关。金刚石浸润性研究对提升其实际应用具有重要的价值,设计和制作新型金刚石基复合结构并对其浸润性进行调制,是当前金刚石领域的重要研究课题。本论文的主要内容为:利用化学气相沉积(CVD)方法生长金刚石膜,并在多晶金刚石膜上制备氧化锌(ZnO)纳米膜,在网状衬底上制备纳米CVD金刚石膜网(Diamond mesh),及在金刚石膜网上合成硫化镉(CdS)纳米膜,并研究上述结构的浸润等性能。具体研究结果如下:1.以抛光和无抛光CVD金刚石膜为衬底,采用磁控溅射法,沉积ZnO纳米膜,提高金刚石膜表面的浸润性。当衬底为无抛光金刚石膜(接触角93°),ZnO/Diamond复合结构接触角达到141°;而对于抛光金刚石膜(接触角87°),ZnO/Diamond复合结构接触角为98°。实验证明接触角的变化与金刚石表面(抛光和未抛光)及ZnO纳米膜的粗糙度密切相关。整体粗糙度大,接触角增大。水滴在ZnO/Diamond体系上放置24小时,接触角度从141°下降到34°;经在烘箱恒温高温(95℃)处理后,接触角恢复到141°,说明体系的疏水与亲水性质是可转换的。2.利用CVD法,以铜网为衬底生长晶粒尺寸为纳米级的金刚石膜,获得了超疏水(接触角大于150°)和超亲油(接触角~0°)的金刚石膜网,超疏水性对pH=1-14的水滴都可实现。该浸润性特点是由金刚石网微纳米结构、微孔毛细作用力、金刚石表面氢终止共同决定的。通过对金刚石膜网在强酸、强碱溶液中多次浸泡处理,金刚石膜网的超疏水性保持了很好的稳定性。金刚石膜网孔径从50μm增加到150μm时,仍有稳定的超疏水性,除该体系微纳米及多孔结构的原因,还可归因于金刚石膜网表面超硬的特性,比传统材料更能够承受水滴的重量。3.实验证明金刚石膜网结构可以实现高效的油水分离,并具有很好的可清洁性和重复性。通过在有氧气氛中高温热处理,氢终止表面的金刚石膜网可转变为氧终止表面,超疏水变为亲水性;将氧化表面在氢等离子体中处理,金刚石网转化为氢终止,其超疏水性可以恢复,这样我们实现了在同一结构上超疏水-亲水转换。利用所获得的超疏水和亲水的金刚石膜网,实现了微小液滴的转移。考虑到金刚石的化学稳定性,可以拓展到对pH=1-14的所有液滴进行转移。4.利用热灯丝CVD方法制备硼掺杂p型金刚石膜网;通过连续离子吸附反应法,在p型金刚石上生长n型CdS纳米膜制备了CdS/diamond mesh复合结构。硼掺杂金刚石膜网具有低亲水性质(接触角为87o),而CdS/diamond mesh的接触角提高到107o,变为疏水。n-CdS/p-diamond mesh异质结用于亚甲基蓝溶液的脱色反应,证明其具有较好的光催化性能。综上所述,我们研究了CVD金刚石膜表面粗糙度、ZnO膜沉积对提高金刚石膜疏水性的影响;制备了微纳结构的金刚石膜网,获得了超疏水-超亲油性质,可用于高效油水分离,并且在强酸强碱中均具有优异的稳定性。通过表面氧或氢终止的控制,可以对其亲水性及超疏性进行调制。获得了亲水的硼掺杂p型金刚石膜网,在其上生长n型CdS纳米膜,提高了其疏水性,所制备的异质结具有较好的光催化特性。本论文所论述的金刚石基新型复合结构及其浸润性相关的优异性质,具有重要的理论和应用价值,可能发现更多的新现象和工作机制,有望开发出具有特殊功能的金刚石相关的新型多功能器件。