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許多不同的光刻方法已被應(yīng)用于制造微納米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)，并成功地用于形成具有特殊潤濕性能的表面，事實(shí)上，在微米、亞微米和納米尺度上的表面粗糙度的改變，無論有沒有化學(xué)處理，都會導(dǎo)致具有可控潤濕性能的表面表現(xiàn)出極限（例如超疏水、超親水表面），我們研究了不同的方法，以實(shí)現(xiàn)這種圖案表面的可調(diào)潤濕特性，我們通過使用不同的光刻技術(shù)來制作微孔襯底。
本研究中使用的基底是具有天然氧化物表層的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硅晶片，晶圓的拋光面和未拋光面都用于激光微加工，特別是用焦距為75毫米的圓柱形透鏡聚焦紫外納秒激光束，測試的激光通量的范圍是從0.5至2J/cm2，在燒蝕過程中，硅晶片儲存在甲醇或蒸餾水的液體浴中，表面液體覆蓋5mm，晶片以精確的x-y平移階段移動(dòng)，直到獲得約1cm2的紋理表面區(qū)域,圖5顯示了激光微加工裝置的示意圖,燒蝕后，將晶圓從液體浴中取出，并在環(huán)境條件下進(jìn)行干燥。
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圖5
除了紋理硅晶片作為基底，我們還使用了各種微紋理硅碳化硅表面,使用了600、800和1200砂粒大小的典型砂紙。對于紋理硅晶片的涂層,使用了亞微米的聚四氟乙烯顆粒,一定數(shù)量的聚四氟乙烯粉末分散在商業(yè)蘇格蘭Brite(3M)中型纖維素泡沫上，尺寸為15cm×9cm×2cm,用一根金屬棒將聚四氟乙烯粉末在泡沫表面摩擦幾分鐘，以使其均勻擴(kuò)散,隨后，泡沫以圓周運(yùn)動(dòng)不斷地與紋理硅表面摩擦幾分鐘,在此過程結(jié)束時(shí)，幾乎所有的聚四氟乙烯粒子都被轉(zhuǎn)移到紋理硅表面，形成一個(gè)薄薄的聚四氟乙烯層。我們發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯顆粒強(qiáng)烈地附著在激光形成的結(jié)構(gòu)上，因?yàn)楹筇幚恚ń菰诓煌娜軇┲?，如丙酮、甲苯、甲醇或氯仿）并沒有導(dǎo)致顆粒從表面去除。圖6顯示了聚四氟乙烯粒子摩擦電沉積的基本步驟的示意圖。
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圖6
利用原子力顯微鏡技術(shù)進(jìn)一步研究了紋理表面的形貌，一般來說，掃描大小在5~20μm之間，同時(shí)采集拓?fù)淇焖賵D像、高度、誤差和相位圖像，Park系統(tǒng)XE-100AFM在硅懸臂梁的非接觸模式下使用，所有樣本均采用了0.15Hz至0.25Hz之間的自適應(yīng)掃描速率，要獲得具有微米特征的表面的高質(zhì)量AFM圖像，必須盡量減少偏轉(zhuǎn)（或振幅）信號（表示誤差信號）。如果這些信號是最小的，掃描過程中獲得的誤差圖像看起來與地形特征相同。
對于表面的潤濕表征，對于水滴粘附度的測量，我們使用了以下方法：將水滴放置在檢測表面上，然后使表面緩慢傾斜，同時(shí)CCD相機(jī)捕捉液滴形狀的變化，在最后記錄的圖像中，在液滴的基部開始移動(dòng)之前，測量前進(jìn)的θΑ和后退的θBAPCA，APCA前進(jìn)和后退的區(qū)別在于CAH，所有測量值的標(biāo)準(zhǔn)差均為±3°，有限的apca不能在這些表面上測量，因?yàn)楸环胖玫乃卧诔练e后幾秒鐘后就完全擴(kuò)散在它們身上，為了實(shí)際目的，分配的APCA為0°。
當(dāng)聚苯乙烯電沉積法將聚四氟乙烯粒子附著在激光形成的表面強(qiáng)度上時(shí)，原表面的表面形貌和潤濕特性發(fā)生顯著變化，發(fā)現(xiàn)了影響復(fù)合材料表面最終潤濕性能的兩個(gè)主要因素，這些是襯底的微粗糙度和粘附在它上面的聚四氟乙烯亞微米顆粒的數(shù)量，我們展示了兩個(gè)未經(jīng)處理的激光紋理表面和在紋理表面頂部的三電子沉積的聚四氟乙烯表面的三維AFM地形圖像。
一個(gè)光滑的聚四氟乙烯表面的接觸角約為110°，在這種情況下，由于底層的粗糙度，APCA超過了此值，詳細(xì)的APCA和CAH測量表明，平均粗糙度為~5μm的激光紋理硅表面在被三帶電聚四氟乙烯粒子涂層時(shí)，不會成為超疏水(APCA>150°)。
在所研究的激光通量范圍內(nèi)，沒有觀察到硅片粗糙度的重大變化，然而，單個(gè)金字塔狀微結(jié)構(gòu)的形狀可以被修改，而不會對聚四氟乙烯涂層表面的最終潤濕特性產(chǎn)生影響，所有制備的表面的APCAs中心約130°，CAH中心約35°，雖然這些表面不能被認(rèn)為是超疏水自清潔表面，但水滴表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)偷乃街?，疏水性相對較高，這些潤濕特性優(yōu)于某些疏水聚合物，如平滑的聚四氟乙烯或聚（二甲基硅氧烷)(PDMS）。
所使用的四種不同的激光通量顯示出幾乎相同的疏水性，其主要原因是摩擦電涂層產(chǎn)生了1.5μm厚的聚四氟乙烯薄膜，因此，由于所得的硅晶片表面粗糙度在2~5μm之間，無法實(shí)現(xiàn)保形超疏水涂層。為了解決這一問題，利用不同砂粒尺寸的碳化硅砂紙分析了表面微紋理對摩擦電聚四氟乙烯沉積后最終疏水性的影響。
一般來說，對于表面粗糙度高達(dá)60μm的微粗糙表面，小于1.5mg/cm2聚四氟乙烯附著就足以使其具有超疏水性。當(dāng)每個(gè)表面積沉積的聚四氟乙烯質(zhì)量約為0.5-0.7mg/cm2時(shí)，得到最佳結(jié)果(APCA>155°和CAH<20°)，對激光微紋理硅晶片進(jìn)行的類似分析表明，單位面積的聚四氟乙烯(0.05-0.15mg/cm2)使表面疏水的數(shù)量要少得多。一部分涂上了三電聚四氟乙烯沉積，另一部分不經(jīng)處理，照片中的紅線顯示了經(jīng)過治療的區(qū)域和未經(jīng)治療的區(qū)域之間的邊界，可以觀察到，未經(jīng)處理的區(qū)域是完全濕的，而在經(jīng)過處理的區(qū)域，液滴處于超疏水狀態(tài)。
最后在這項(xiàng)工作中，我們演示了兩種不同的光刻技術(shù)，每一種都與不同的涂層方法相結(jié)合。這兩種制造工藝的目的是以簡單、高效、可重復(fù)和經(jīng)濟(jì)的策略獲得具有特殊潤濕特性的大面積表面，第一個(gè)工藝包括通過紫外光刻技術(shù)在硅上制造SU-8微柱圖案，隨后，這些圖案被噴涂顆粒所覆蓋，這些顆粒會導(dǎo)致不同的粗糙度尺度，基底從“粘性”疏水表面開始，通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)念w粒，可以轉(zhuǎn)化為具有超高或超低水粘附性的超疏水表面；第二種方法將硅晶片的激光微加工與帶電聚四氟乙烯亞微米顆粒的三電沉積涂層方法相結(jié)合，這種綠色無溶劑制造方法的表面具有雙尺度粗糙度。