李小磊，張 磊，馬曉雯，張會臣

(大連海事大學(xué) 交通運輸裝備與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

?

疏水/超疏水硅表面的制備及液滴的運動特性*

李小磊，張 磊，馬曉雯，張會臣

(大連海事大學(xué) 交通運輸裝備與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

以硅為基底，采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)和自組裝技術(shù)制備疏水/超疏水表面，測量各表面的靜態(tài)接觸角和滾動角，借助高速攝像系統(tǒng)分析液滴滴落到不同硅表面的運動特性。結(jié)果表明，微柱高度不同，接觸角隨微柱間距的變化規(guī)律不同；滾動角隨微柱高度的增加而增大，隨微柱間距的增加而減小。對于液滴在其上能夠發(fā)生滾動的硅表面，當(dāng)水平放置時，液滴滴落后，鋪展系數(shù)和回彈系數(shù)均隨著跳動次數(shù)的增加逐漸減小，且滾動角越大，其減小速度越快；當(dāng)硅表面傾斜放置時，若傾斜角小于滾動角，液滴滴落后的跳動距離越來越小，且滾動角越大，跳動距離減小的速度越快；若傾斜角大于滾動角，則液滴跳動距離越來越大，但滾動角越大，跳動距離增大的速度越小。

靜態(tài)接觸角；滾動角；鋪展系數(shù)；回彈系數(shù)；跳躍系數(shù)

0 引 言

硅是生物、能源、微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料[1-3]，受荷葉、鯊魚表皮等動植物表面疏水性的啟發(fā)[4-7]，對硅表面進行疏水化處理的研究得到廣泛關(guān)注。將疏水處理后的硅表面應(yīng)用到電子器件或太陽能光伏器件中，可有效的避免器件因雨水造成的短路和腐蝕，在微流體器件中，處理后的硅表面可有效降低液體流動過程中的阻力。目前，在硅基底上制備超疏水表面的工藝主要包含兩步：首先利用光刻、化學(xué)氣相沉積等方法在表面構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)，然后再用氟硅烷等低表面能物質(zhì)對表面進行修飾。Kim等[8]利用離子刻蝕的方法在硅基底上構(gòu)筑了微結(jié)構(gòu)并進行了疏水性修飾，得到接觸角≥153°的超疏水表面，其表面特性穩(wěn)定，放置7周后疏水性不變；Oner等[9]利用光刻蝕的方法在硅表面構(gòu)筑了一系列的微結(jié)構(gòu)，研究了微結(jié)構(gòu)的形狀以及尺度對表面潤濕性的影響，結(jié)果表明，對于微方柱結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)表面粗糙度的長度≤32 μm時，表面才能呈超疏水性。針對在水資源凈化與收集、藥物控制、微流體系統(tǒng)等應(yīng)用方面，經(jīng)常會出現(xiàn)液滴在表面的接觸與運動，而目前對硅表面的研究主要集中在表面微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑以及表面疏水性的制備，對于液滴在其表面的運動特性與表面特性的關(guān)系研究還未見報道。

本文采用反應(yīng)離子刻蝕的方法在硅基底表面構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)并對表面進行低表面能修飾，使表面呈疏水/超疏水性，分別利用接觸角測量儀和自制滾動角測量系統(tǒng)測量了各表面的靜態(tài)水接觸角和滾動角。借助高速攝像系統(tǒng)拍攝液滴滴落到硅表面后的運動過程，分析了靜態(tài)接觸角、滾動角與表面微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及二者對液滴動態(tài)特性的影響，旨在為硅基底疏水/超疏水表面的制備與應(yīng)用提供支持。

1 實 驗

1.1 實驗過程

基底為Si(100)，其電阻率在0.010～0. 015 Ω·cm之間。采用反應(yīng)離子刻蝕的方法在硅片表面構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)，使用設(shè)備分別為德國SUSS 80RC勻膠機、SUSS MA6/BA6光刻機和法國Adixen AMS100干法刻蝕機，先用濃H2SO4清洗液清洗硅片，用勻膠機在硅片表面形成所需厚度的光刻膠層；采用光刻機將光刻膠層上的易溶于顯影液的區(qū)域溶解掉，然后用干法刻蝕機進行反應(yīng)等離子體刻蝕[10]，刻蝕出的微米圓柱直徑d=5 μm，高度h分別為5，10和15 μm，間距p分別為15，25，35和45 μm，如圖1所示。各硅表面命名方式為h-p，如名稱為5-15的表面，其微柱高度和微柱間距分別為5和15 μm。

試樣的表面形貌采用NewView 5022型表面輪廓儀(美國Zygo公司)進行表征。然后采用自組裝技術(shù)在Si表面制備自組裝分子膜(self-assembled monolayers，SAMs)，成膜分子為全氟癸基三氯硅烷(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecyltrichloro-silane，F(xiàn)DTS)購自Fluka公司，其主要過程分為兩步，首先用Piranha溶液(98%H2SO4-30%H2O2，體積比為7∶3)對硅片表面進行羥基化處理。然后，以1 mL甲苯為溶劑，滴入15 μL FDTS，配置成FDTS溶液，將羥基化后的硅片放入溶液內(nèi)1 h浸泡。

圖1 微結(jié)構(gòu)表面參數(shù)示意圖

表面制備完成后，利用德國KRüSS公司產(chǎn)的Easy Drop型接觸角測量儀測量其表面接觸角，蒸餾水水滴體積為2 μL。利用自制的滾動角測量系統(tǒng)對各表面的滾動角進行測量，并借助高速攝像系統(tǒng)對具有一定高度的液滴滴落到硅表面后的運動過程進行拍攝，其實驗回路如圖2所示。

圖2 實驗系統(tǒng)圖

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣表面的三維形貌

圖3為部分Si試樣表面圓柱陣列的三維形貌，各表面圓柱陣列規(guī)則整齊。其中，前4幅圖中微柱高度h均為5 μm，間隔p依次為15，25，35和45 μm。圖3(e)和(f)中微柱高度h分別為10和15 μm。

2.2 試樣表面靜態(tài)接觸角

利用接觸角測量儀測得光滑硅表面的水接觸角為65°，經(jīng)FDTS修飾后接觸角為110.7°，其余硅表面靜態(tài)接觸角如表1所示。

表1數(shù)據(jù)表明，p/h≥4.5時，表面為疏水表面，p/h<4.5時，表面為超疏水表面。另外，隨著微柱高度的增加，靜態(tài)接觸角增大。但微柱高度相同條件下，各表面靜態(tài)接觸角隨微柱間隔p的變化規(guī)律各不相同，隨著p的增大，h=5 μm的表面接觸角減小，h=10 μm的表面接觸角先增大后減小，h=15 μm的表面接觸角增大。

通常情況下， 根據(jù)Cassie-Baxter模型，疏水表面的氣液固三相接觸形式如圖4所示，有部分液體浸入微柱之間，其浸沒深度為Δh，Δh應(yīng)≤h。

目前針對Cassie-Baxter模型，普遍采用式(1)

進行計算[11]

cosθ=fslcosθsl+fglcosθgl

(1)

其中，θ為接觸角，fsl為固液接觸界面占復(fù)合界面的面積分?jǐn)?shù)，fgl為氣液接觸界面的面積分?jǐn)?shù)，θgl為表面本征接觸角，θgl為氣液接觸角，取180°。但此模型并不適合先構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)然后再進行自組裝分子膜沉積的表面，因為此方法得到的微柱頂面和微柱側(cè)面的表征接觸角并不相同，微柱頂面的表征接觸角θ1為110.7°，但微柱側(cè)面的表征接觸角并不等于110.7°，為了得到微柱側(cè)面的接觸角大小，將一硅片豎直放置，進行羥基化并沉積自組裝分子膜后測得其側(cè)面接觸角為72°，故微柱側(cè)面的表征接觸角θ2取72°，因此對式(1)進行修正，得到適合本文的接觸角計算公式

cosθ=fsl1cosθ1+fsl2cosθ2+fglcosθgl

(2)

式中，fsl1為液滴與微柱頂面接觸界面占復(fù)合界面的面積分?jǐn)?shù)，fsl2為液滴與微柱側(cè)面接觸界面占復(fù)合界面的面積分?jǐn)?shù)，各面積分?jǐn)?shù)計算式如式(3)～(5)

(3)

(4)

fgl=1-fsl1-fsl2

(5)

結(jié)合表1中接觸角大小，可計算得到各表面對應(yīng)的液體浸沒深度Δh，其結(jié)果如表2所示。

圖3 Si表面的三維形貌

p=15μmp=25μmp=35μmp=45μmh=5μm151.3120.5116.4110.2h=10μm151.6152.4153.3135.9h=15μm152.6154.9155.3157.0

表2并未列出4個疏水表面的浸沒深度Δh，因為計算得到的Δh值大于微柱高度h，與實際情況不符。Δh≥h說明此時液滴與基底表面發(fā)生了接觸，為了更好的分析液滴與基底表面的接觸狀態(tài)，先對其氣液界面形狀(參照圖4)的曲率半徑R進行計算，根據(jù)Young-Laplace公式

(6)

其中，γ為液體表面張力，R為微柱間氣液界面的曲率半徑，ΔP為氣液界面上下的壓力差，約為16.7 Pa，可以得到R大約為1.67 mm，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微柱間隔p，故一般情況下氣液界面近似為一條直線，與文獻[12]的研究結(jié)果一致。

圖4 三相接觸狀態(tài)

p=15μmp=25μmp=35μmp=45μmh=5μm1.31---h=10μm1.684.538.16-h=15μm1.904.007.2910.16

計算結(jié)果表明，液滴與4個疏水表面發(fā)生了完全接觸(類似于Wenzel模型)。但是，若液滴與4個表面均發(fā)生了完全接觸，其表面接觸角應(yīng)相等，但結(jié)合表1可知，4個表面的接觸角大小并不相等，說明此時4個表面與基底表面的接觸狀態(tài)并非完全接觸。參考Derek等[13]提出的假設(shè)，認(rèn)為固液界面應(yīng)為不連續(xù)的間歇面，即液滴與基底表面的接觸方式為部分接觸，如圖5所示，在固體表面同時存在著固液接觸和氣液接觸。

圖5 三相接觸狀態(tài)

Fig 5 Contact state of three phases

2.3 試樣的滾動角

通常情況下，衡量一個表面疏水性好壞的標(biāo)準(zhǔn)為靜態(tài)接觸角，但為了更全面的表征超疏水表面上流體流動或液滴運動的動態(tài)過程，滾動角則成為了不可忽視的因素[14-16]。

本文中，利用自制的滾動角測量系統(tǒng)對各表面滾動角進行了測量，液滴大小為5 μL，得到各表面滾動角大小如表4所示。

由表4數(shù)據(jù)可知，當(dāng)p/h≥4.5(對應(yīng)的表面接觸角均<140°)時，液滴在其表面并未發(fā)生滾動。當(dāng)p/h<4.5(對應(yīng)的表面接觸角均>150°)時，結(jié)合表1和2的數(shù)據(jù)可知，微柱間隔相同時，接觸角、浸沒深度、滾動角均隨微柱高度的增加而增大；微柱高度相同時，隨著微柱間隔的增大，接觸角和浸沒深度增大，滾動角減小。

表4 試樣的滾動角 (°)

液滴開始滾動的過程，即液滴脫離第一個微柱的過程，應(yīng)如圖6所示，剛開始液滴浸沒部分微柱，此時液滴在三相接觸線處主要受5個力的作用，分別是三相之間的表面張力以及重力和微柱對液滴的支撐力，如圖6(b)所示，此時迫使液滴向左運動的力分別為γsl和重力G二者在沿表面方向向下的分力，隨著傾斜角度β的增大，沿表面方向上的分力不斷增大，三相接觸線不斷上移，當(dāng)接觸線到達微柱頂面時，固液表面張力和固氣表面張力二者的方向發(fā)生突變，由圖6(d)變到圖6(e)，此時滾動方向上的分力大幅度增大，三相接觸線迅速滑過微柱頂面，直接過渡到下一個微柱側(cè)面，液滴完全離開第一個微柱。此后，液滴滾動過程則為上述過程的重復(fù)。

圖6 液滴脫離第一個微柱的過程

從液滴脫離第一個微柱的過程可以看出，微柱間隔相同時，滾動角的大小與浸沒深度有關(guān)，浸沒深度越大，液滴發(fā)生滾動時，三相接觸線需要移動的距離就越大，需要的滾動方向上的分力也越大，所以發(fā)生滾動時需要的表面傾斜角度越大，即滾動角越大。

另外，微柱高度相同時，隨著微柱間隔的增大，浸沒深度增大，但滾動角減小。分析其原因為，隨著微柱間隔的增大，液滴與微柱之間的固液接觸面積大幅度減小，表面對液滴的粘附力減小，因此滾動角減小。

2.4 液滴滴落到硅表面后的運動特性

借助高速攝像系統(tǒng)，對液滴在傾斜硅表面的滴落以及運動過程進行拍攝，綜合考慮到各表面的滾動角大小，其傾斜角度β分別選擇為0，7.5和15°，液滴大小為5 μL，滴落高度約為4 mm，如圖7所示。

圖7 液滴滴落參數(shù)

Fig 7 Parameters of drop dripping

對于液滴在其上不發(fā)生滾動的表面，液滴滴落到其表面后，直接粘附于硅表面。以表面5-45為例，不同傾斜角度下液滴的運動過程如圖8所示。

由圖8(a)可知，當(dāng)液滴接觸到硅表面時，直接與表面粘在一起，然后作帶阻尼的彈性振蕩，最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)表面傾斜角度不為零時，受重力在傾斜方向上分力的作用，液滴振蕩過程中會伴隨左右方向擺動(如圖8(b)和(c))，傾斜方向上的分力使液滴整體向左下運動，到極限位置后，液滴在表面張力的作用下向右上方恢復(fù)，在振蕩過程中，液滴的能量快速消耗，最終穩(wěn)定。穩(wěn)定后測得3個傾斜角度下接觸角分別為111.2，112.4，113.9°(硅表面傾斜時，液滴左右兩側(cè)的接觸角大小有所不同，但相差極小，此處未考慮兩側(cè)接觸角大小的不同)，隨著傾斜角度的增大，液滴最終穩(wěn)定后的接觸角增大，分析其原因為：隨著傾斜角度的增大，液滴滴落時，其速度在硅表面垂直方向上的分量相對較小，導(dǎo)致與表面形成的固液接觸面較少，因此表面接觸角增大。

圖8 5-45表面上的液滴運動過程

(1)β=0°時，液滴的運動過程

對于液滴在其上發(fā)生滾動的表面，當(dāng)β=0°時，液滴滴落到其表面后會發(fā)生跳動，整體運動特性與彈性小球類似，下面以10-25表面為例(圖9)，對液滴運動過程進行說明。

由圖9可知，液滴與硅表面接觸后，底部先被擠壓，液滴上部在慣性的作用下繼續(xù)向下變形，到達極限位置后又向球狀恢復(fù)，然后彈起，又滴落，重復(fù)這一過程直至最終穩(wěn)定。

為了定量研究液滴的運動特性，定義兩個無量綱系數(shù)：鋪展系數(shù)mi和回彈系數(shù)ni

(7)

(8)

其中，H0表示初始滴落高度，Hi表示第i次滴落后液滴的回彈高度，d0表示初始液滴直徑，di表示第i次滴落后，液滴的最大鋪展直徑，如圖9所示，由于液滴振蕩的時間較長，但相機內(nèi)存和視窗大小有限，綜合考慮后，決定取i最大值為5。

圖9 β=0°時，10-25表面上的液滴運動過程

對拍攝結(jié)果進行測量，得到β=0°時液滴運動過程中的Hi和di，并求得對應(yīng)的mi和ni，其結(jié)果如圖10和11所示。

圖10 液滴鋪展系數(shù)變化曲線

由圖10和11可知，液滴在不同硅表面上鋪展系數(shù)和回彈系數(shù)均隨著跳動次數(shù)的增加逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定。圖中，表面可分為兩組，A組，即p=15 μm的3個表面，其對應(yīng)的mi和ni減少速率大，B組，即p≠15 μm的5個表面，其減小速率較小，以表面15-15和15-25為例，如圖10(a)所示，mi在表面15-15上的減小速率明顯大于表面15-25。結(jié)合各表面接觸角和滾動角大小對其原因進行分析，A、B兩組硅片的接觸角相似但滾動角相差較大，滾動角越大說明單位水平投影面積上硅表面對液滴的粘附力越大，當(dāng)液滴與A組表面接觸并彈起時，其消耗的能量較大，液滴再次彈起的高度較小，滴落后液滴再次消耗更多的能量，以此往復(fù)，必然導(dǎo)致A組硅表面上液滴的mi和ni減少速率大。

圖11 液滴回彈系數(shù)變化曲線

Fig 11 Curves of rebound coefficient

另外，圖10(b)中，隨著接觸角的增大，A組硅表面的mi減小，其滾動角大小相近，此時mi大小受接觸角支配，此規(guī)律同樣適用于B組硅表面。圖11中，液滴在A組硅表面跳動兩次后，其底部與固體表面保持接觸，然后發(fā)生非完全脫離式跳起，收縮，最后穩(wěn)定。B組硅表面則發(fā)生了3次完全脫離式跳動。液滴在兩組硅片上的完全脫離式跳動次數(shù)直觀反應(yīng)了表面滾動角大小對液滴跳動過程的影響。

(2)β≠0°時，液滴的運動過程

當(dāng)β=7.5及15°時，液滴滴落到表面時的運動過程與β=0°時有所不同，同樣以表面10-25為例，液滴在其表面的運動過程如圖12所示。

圖12 10-25表面上的液滴運動過程

圖中，當(dāng)液滴滴落到傾斜硅表面時，液滴發(fā)生形變，開始鋪展，到達極限位置后又向球狀恢復(fù)，然后彈起，且形變過程中一直伴隨著沿固體表面向下的滑移運動。

液滴跳動過程中，其形變程度利用鋪展系數(shù)mi進行量化，其跳動幅度用跳躍系數(shù)qi進行量化，所謂qi，無量綱系數(shù)，即液滴跳躍的水平距離Li與第一次跳躍的水平距離L2的比值，如式(9)所示

(9)

測量拍攝結(jié)果，得到對各壁面上液滴的鋪展系數(shù)mi和跳躍系數(shù)qi，二者變化曲線分別如圖13和14所示。

圖13中，當(dāng)β=7.5和15°時，隨著跳動次數(shù)的增加，mi減小，結(jié)合圖10可知，隨著β的增大，mi減小。當(dāng)β=7.5和15°時，各表面上液滴的mi變化速率相近。

圖14中，當(dāng)β=7.5°時，隨著跳動次數(shù)的增加，A組硅表面上的qi減小，B組硅表面上的qi增大；當(dāng)β=15°時，隨著跳動次數(shù)的增加，所有硅表面上的qi均增大。分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅表面傾斜角小于表面滾動角時，液滴在其上跳動時，跳躍系數(shù)qi<1，即跳動距離越來越小，且滾動角越大，跳動距離減小的速度越快。而當(dāng)傾斜角大于滾動角時，跳躍系數(shù)qi均大于1，液滴的跳動距離越來越大，滾動角越小，跳動距離增大的速度越快。當(dāng)β=7.5°時，表面10-35和15-45分別跳動了3次和2次后就超過了相機拍攝范圍。當(dāng)β=15°時，在相機拍攝范圍內(nèi)，液滴在B組硅表面上的跳動次數(shù)均未達到5次。

當(dāng)液滴滴落到傾斜角小于滾動角的硅表面時，壁面對其粘附力大于重力在沿固體表面方向的分力，液滴每一次與表面接觸均會損失一部分能量，因此，跳動距離越來越短。而當(dāng)液滴滴落到傾斜角大于滾動角的硅表面時，液滴同樣會損失能量，但重力對其作用后，給液滴補充的能量大于其損失的能量，所以，液滴跳動距離越來越大。另外，在傾斜硅表面上，液滴與表面接觸后會有一部分能量用于沿表面向下滑移，且傾斜角度越大，這部分能量越大，必然導(dǎo)致mi減小。

可以推測，對于一個無限大的表面，當(dāng)其傾斜角小于滾動角時，液滴滴落到表面后，一段時間后總是會靜止于表面；當(dāng)傾斜角大于滾動角時，液滴滴落后，會一直向下跳動。

圖13 傾斜狀態(tài)下液滴鋪展系數(shù)變化曲線

Fig 13 Curves of spread coefficient of drops on incline surfaces

圖14 傾斜狀態(tài)下液滴跳躍系數(shù)變化

Fig 14 Curves of jump coefficientof drops on incline surfaces

3 結(jié) 論

(1) 隨著微柱高度的增加，硅試樣的靜態(tài)接觸角增大。但微柱高度相同時，各表面靜態(tài)接觸角隨間隔的變化規(guī)律各不相同。

(2) 當(dāng)硅表面p/h≥4.5時，其接觸角均<140°，表面不存在滾動角，液滴滴落后，直接與表面粘在一起，呈帶阻尼的彈性振蕩直至靜止。當(dāng)p/h<4.5時，表面接觸角均>150°，液滴在其表面會發(fā)生滾動，且當(dāng)微柱間隔相同時，接觸角、浸沒深度、滾動角均隨微柱高度的增加而增大；微柱高度相同時，隨著微柱間隔的增大，接觸角和浸沒深度增大，滾動角減小。

(3) 對于液滴在其上發(fā)生滾動的表面，液滴滴落后會發(fā)生彈性跳動。當(dāng)硅表面水平時，表面滾動角越大，液滴鋪展系數(shù)和回彈系數(shù)的減小速率越大。

(4) 當(dāng)液滴滴落到傾斜硅表面后，若表面傾斜角小于滾動角，液滴滴落后，其跳動距離越來越小，且滾動角越大，跳動距離減小的速率越快。若當(dāng)傾斜角大于滾動角，液滴跳動距離越來越大，但滾動角越大，跳動距離增大的速率越小。

[1] Yimao W, Mcintosh K R. On the surface passivation of textured C-Si by PECVD silicon nitride[J]. IEEE Journal of Photovoltaics, 2013, 4(3): 1229-1235.

[2] Bala J K, Kundub S, Hazra S. Hydrophobic to hydrophilic transition of HF-treated Si surface during Langmuir-Blodgett film deposition[J]. Chemical Physics Letters, 2010, 500(1-3): 90-95.

[3] Boukherroub R. Chemical reactivity of hydrogen-terminated crystalline silicon surfaces[J]. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2005, 9(1-2): 66-72.

[4] Guo Y, Li W, Zhu L, et al. An excellent non-wax-stick coating prepared by chemical conversion treatment[J]. China Materials Letters, 2012, 72:125-127.

[5] Zhang J, Seeger S. Superoleophobic coatings with ultralow sliding angles based on silicone nanofilaments[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2011, 50: 6652-6656.

[6] Jin M, Wang J, Yao X, et al. Underwater oil capture by a three-dimensional network architectured organosilane surface[J]. Advanced Material, 2011, 23: 2861-2864.

[7] Liu K, Jiang L. Bio-inspired design of multiscale structures for function integration[J]. Nano Today, 2011, 6: 155-175.

[8] Bonghwan K, Sung-Bo S, Kang B, et al. Stable superhydrophobic si surface produced by using reactive ion etching process combined with hydrophobic coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2013, 232(15): 928-935.

[9] Didem Oner, Thomas J McCarthy. Ultrahydrophobic Surfaces. Effects of topography length scales on wettability[J]. Langmuir, 2000,16: 7777-7782.

[10] Lian Feng, Zhang Huichen, Zhou Helin, et al. Preparation of hydrophobic/superhydrophobic surface on silicon wafer by reactive ion etching and self-assembled monolayers[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2011, 32(12): 2833-2837.

連 峰, 張會臣, 鄒赫麟, 等.反應(yīng)離子刻蝕和自組裝分子膜構(gòu)建硅基底疏水與超疏水表面[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報, 2011, 32(12): 2833-2837.

[11] Marmur A. Wetting on hydrophobic microstructured hydrophobic surfaces: to be heterogeneous or not to be[J]. Langmuir, 2003, 19(20): 8343-8348.

[12] Ou J, Perot B, Rothstein J P. Laminar drag reduction in microchannels using ultrahydrophobic surfaces[J]. Physics of Fluids, 2004, 16(12): 4635-4643.

[13] Tretheway D C, Meinhart C D. A generating mechanism for apparent fluid slip inhydrophobic microchannels [J]. Physics of Fluids, 2004, 16(3): 1509-1515.

[14] Heihachi M, Toshio F. Characterization of molecular interfaces in hydrophobic systems[J]. Progress in Organic Coatings, 1997, 31(1-2): 97-104.

[15] Frenkel Y I. On the behavior of liquid drops on a solid surface:1. the sliding of drops on an inclined surface[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1948, 18: 659-668.

[16] Lü C J, Yang C W, Hao P F, et al. Sliding of water droplets on microstructured hydrophobic surfaces[J]. Langmuir, 2010, 26(11): 8704-8708.

Preparation of hydrophobic/superhydrophobic Si surfaces and dynamic characteristics of drop moving on these surfaces

LI Xiaolei，ZHANG Lei，MA Xiaowen，ZHANG Huichen

(Transportation Equipments and Ocean Engineering College，Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Based on the technology of reactive ion etching and self-assembled monolayers, the Si specimens with different hydrophobicity were attained. The static contact angle and roll angle of specimens are measured. After dripping, the dynamic characteristics of drop moving on the Si surface were researched by the high speed camera system. The results show that, when the heights of micro pillar arrays are different, the relationships between water contact angle and spacing of micro pillar arrays are different. The roll angle increases with the increase of pillars’ height while decreases with the increase of pillars’ spacing. In addition, after dripping down to the horizontal Si surface possessed roll angle, the spread coefficient and rebound coefficient of drop will decline gradually, and the larger the roll angle is, the quicker the decline rate. If the Si surface is inclined, and the incline angle is smaller than the roll angle, the jump distance will be smaller. The larger the roll angle is, the quicker the distance decreases. On the contrary, if the incline angle is bigger than the roll angle, the jump distance will increase. However, the larger the roll angle is, the slower the distance increases.

static contact angle; roll angle; spread coefficient; rebound coefficient; jump coefficient

1001-9731(2016)11-11201-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(51335005, 51275064, 50975036)

2015-05-28

2016-03-14 通訊作者：張會臣，E-mail: hczhang@dlmu.edu.cn

李小磊 (1988-)，男，江蘇南通人，博士，師承張會臣教授，從事納米潤滑與微流體系統(tǒng)研究。

O647； O484.41

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.040