氧等離子處理對(duì)多孔硅表面潤濕性的影響

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2022-10-19

多孔硅具有高比表面積、孔徑可控性、熒光性等獨(dú)特理化性質(zhì)，在傳感器開發(fā)、藥物釋放、生物材料、微流控等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，近年來已成為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。研究表明，硅片表面的形貌、潤濕性（表觀接觸角）對(duì)多孔硅的生物相容性、細(xì)胞毒性等有重要影響。例如：細(xì)胞更易粘附在接觸角約64°的材料表面，大于或小于這個(gè)角度都會(huì)不利于細(xì)胞在生物材料上的粘附和生長(zhǎng)。因此接觸角（潤濕性）的動(dòng)態(tài)變化機(jī)理與精確控制是多孔硅在生物移植、藥物釋放等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

構(gòu)建潤濕性可控的多孔硅表面材料，用較為簡(jiǎn)易的方法實(shí)現(xiàn)其潤濕性控制，將對(duì)其在生物材料設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。多孔硅表面潤濕性主要由表面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成決定。多孔硅制備過程中可通過控制孔徑大小來調(diào)整表面微觀結(jié)構(gòu)，而表面化學(xué)組成的修飾則可通過對(duì)多孔硅接枝、涂層、等離子等后期處理實(shí)現(xiàn)。

近年來對(duì)于多孔硅表面潤濕性的控制已經(jīng)有了一些嘗試，包括接枝有機(jī)分子、涂層UV光敏性特殊材料、電化學(xué)等方法。但是這些方法各有其局限性，或者使用材料昂貴、或者影響因素較多無法精確控制接觸角，因此在實(shí)際應(yīng)用中很難大規(guī)模使用。氧等離子處理具有操作簡(jiǎn)單、處理時(shí)間短、無污染、可定量操作性高等特點(diǎn)，是較為常見的平滑硅表面處理方法。

氧等離子處理對(duì)多孔硅表面潤濕性的影響

氧等離子處理過程主要由兩步組成，第一步是處理艙內(nèi)氧氣分子在真空及電場(chǎng)作用下被激發(fā)為等離子態(tài)，進(jìn)而吸附在固體表面；第二步如反應(yīng)（1）所示，被吸附的氧等離子基團(tuán)（O^*）與硅表面Si-H基團(tuán)反應(yīng)形成Si-O-Si鍵。在隨后測(cè)量接觸角時(shí)這些Si-O-Si鍵與去離子水迅速反應(yīng)，如反應(yīng)（2），在表面形成極性的Si-OH基團(tuán)。隨著等離子處理時(shí)間的增長(zhǎng)，極性基團(tuán)的數(shù)量不斷增多，最終整個(gè)表面呈現(xiàn)極強(qiáng)的潤濕性，接觸角接近于０°。

Si-H+Si-H+O*→Si-O-Si＋H20（1）
Si-O-Si＋H20→Si-OH＋Si-OH（2）

圖1是4種多孔硅樣品接觸角（θ）隨氧等離子處理時(shí)間（t）的變化關(guān)系圖。在等離子處理后的20S內(nèi)接觸角迅速下降，幅度超過50%，大約100S后樣品表面的潤濕性都已達(dá)到穩(wěn)定并表現(xiàn)為極為親水（接觸角為0°~2°），接觸角不再隨時(shí)間而變化。

圖一多孔硅樣品接觸角隨氧等離子處理時(shí)間的關(guān)系

表面潤濕性是影響多孔硅實(shí)際應(yīng)用的重要因素，對(duì)多孔硅表面潤濕性的精確控制是其在生物移植、藥物釋放等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。多孔硅在氧等離子處理過程中表面潤濕性的動(dòng)態(tài)變化過程，發(fā)現(xiàn)其潤濕性隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng)迅速降低至極親水狀態(tài)。