氧等离子处理对多孔硅表面润湿性的影响

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-10-19

多孔硅具有高比表面积、孔径可控性、荧光性等独特理化性质，在传感器开发、药物释放、生物材料、微流控等领域具有广泛应用前景，近年来已成为基础研究和应用研究的热点。研究表明，硅片表面的形貌、润湿性（表观接触角）对多孔硅的生物相容性、细胞毒性等有重要影响。例如：细胞更易粘附在接触角约64°的材料表面，大于或小于这个角度都会不利于细胞在生物材料上的粘附和生长。因此接触角（润湿性）的动态变化机理与精确控制是多孔硅在生物移植、药物释放等领域实现广泛应用需要解决的关键科学问题之一。

构建润湿性可控的多孔硅表面材料，用较为简易的方法实现其润湿性控制，将对其在生物材料设计等领域的应用具有重要意义。多孔硅表面润湿性主要由表面微观结构和化学组成决定。多孔硅制备过程中可通过控制孔径大小来调整表面微观结构，而表面化学组成的修饰则可通过对多孔硅接枝、涂层、等离子等后期处理实现。

近年来对于多孔硅表面润湿性的控制已经有了一些尝试，包括接枝有机分子、涂层UV光敏性特殊材料、电化学等方法。但是这些方法各有其局限性，或者使用材料昂贵、或者影响因素较多无法精确控制接触角，因此在实际应用中很难大规模使用。氧等离子处理具有操作简单、处理时间短、无污染、可定量操作性高等特点，是较为常见的平滑硅表面处理方法。

氧等离子处理对多孔硅表面润湿性的影响

氧等离子处理过程主要由两步组成，第一步是处理舱内氧气分子在真空及电场作用下被激发为等离子态，进而吸附在固体表面；第二步如反应（1）所示，被吸附的氧等离子基团（O^*）与硅表面Si-H基团反应形成Si-O-Si键。在随后测量接触角时这些Si-O-Si键与去离子水迅速反应，如反应（2），在表面形成极性的Si-OH基团。随着等离子处理时间的增长，极性基团的数量不断增多，最终整个表面呈现极强的润湿性，接触角接近于０°。

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

图1是4种多孔硅样品接触角（θ）随氧等离子处理时间（t）的变化关系图。在等离子处理后的20S内接触角迅速下降，幅度超过50%，大约100S后样品表面的润湿性都已达到稳定并表现为极为亲水（接触角为0°~2°），接触角不再随时间而变化。