一种于离子液体中电沉积制备类金刚石薄膜的方法

技术领域

本发明涉及类金刚石薄膜制备技术领域，具体涉及一种于离子液体中电沉积制备类金刚石薄膜的方法。

背景技术

类金刚石薄膜，是一类集优良机械、光学、化学和生物等特性于一体、类似于金刚石的非晶碳膜，比如硬度高、摩擦系数低、宽光学带隙、低介电常数、耐腐蚀、生物相容性好等；由于其优异的材料性能，它已被广泛应用于机械、电子、生物、航空航天等领域；目前，制备类金刚石薄膜的传统方法有物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。

由于上述两种方法都很复杂，且需要精密且昂贵的设备在真空、高温、高压等条件下进行，同时此类制备方法对衬底材料和工艺环境要求严格，制备流程耗时长，大面积成膜较为困难，在一定程度上限制了类金刚石薄膜制备的进一步发展；鉴于大多数能在气相条件下制备得到的薄膜材料同样可以在液相条件下通过电化学沉积的方法得到，因此，还可以采用电化学沉积（即电沉积）方法制备类金刚石薄膜；电化学沉积方法的基本原理是：通过选用含有碳源（一般为甲基基团）的有机试剂作为电解液，在外加电压的作用下电解有机试剂，在阴极表面形成碳膜；研究发现：一些介电常数高、低粘度、含有甲基基团且其可直接与极性基团结合的有机溶液适合作为液相电沉积类金刚石薄膜的碳源。

但是，大多数作为电解液的有机溶液都含有毒性、腐蚀性、易挥发；且在沉积过程中所需要的工作电压高达上千伏，能耗高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种于离子液体中电沉积制备类金刚石薄膜的方法，以离子液体作为电解液制备类金刚石薄膜，解决多数有机溶液作为电解液时会有毒性、腐蚀性、易挥发且耗能高的问题。

本发明公开了一种于离子液体中制备类金刚石薄膜的方法，包括如下步骤：

步骤1，导电玻璃表面预处理：在室温条件下依次用丙酮、乙醇、去离子水对导电玻璃进行超声清洗；

步骤2，电解液的配制：离子液体电解液由乙二醇、氯化胆碱组成，将氯化胆碱溶解于乙二醇溶液中，并将氯化胆碱、乙二醇溶液配制成摩尔比为0.05-0.3的离子液体，搅拌、分散。

步骤3，在导电玻璃表面沉积类金刚石薄膜：将步骤1得到的导电玻璃浸入电解液中作为阴极，以高纯石墨片为阳极，控制极间距为5mm，以3-30V恒电压进行电解1min以上。

作为对步骤1的进一步限定，步骤1中导电玻璃进行超声清洗10min。

作为对步骤2的进一步限定，步骤2中氯化胆碱、乙二醇溶液在25-80℃范围内搅拌、分散30min。

作为对步骤3的进一步限定，步骤3中以3V恒电压进行电解。

作为对导电玻璃的进一步限定，导电玻璃为氧化铟锡玻璃。

本发明的有益效果在于：

本发明中，恒电压的最低可以调整到3V，从而保证类金刚石薄膜在低电压3V下即可成膜，提高生产安全性并降低能耗；同时由于电解液为绿色的离子液体，故而安全、高效，不受基体形貌的限制；避免使用有机溶液作为电解液会存在毒性、腐蚀性以及耗能高的问题。

附图说明

图1为实施例1沉积的类金刚石薄膜表面的扫描电子显微照片。

图2为对比例1沉积的类金刚石薄膜表面的扫描电子显微照片。

图3为对比例1沉积的类金刚石薄膜表面的扫描电子显微照片。

图4为对比例2沉积的类金刚石薄膜的拉曼图谱。

图5为对比例3沉积的类金刚石薄膜表面的扫描电子显微照片。

图6为对比例4沉积的类金刚石薄膜表面的宏观图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例

本实施例提供了一种于离子液体中制备类金刚石薄膜的方法，包括如下步骤：

步骤1，导电玻璃表面预处理：在室温条件下依次用丙酮（分析纯）、乙醇（分析纯）、去离子水对导电玻璃进行超声清洗10min。具体的，导电玻璃可以为氧化铟锡（ITO）玻璃（阻值为7-10Ω）。其中，丙酮用来去除基底表面存在的脂、污垢等污染物，乙醇用来去除表面残留的丙酮，而去离子水则用来去除表面残留的乙醇，最终使得基底干净、整洁，消除污染物对实验的影响。

步骤2，电解液的配制：离子液体电解液由乙二醇、氯化胆碱组成，选择乙二醇、氯化胆碱的原因在于，乙二醇和氯化胆碱均含有所需的甲基，将氯化胆碱溶解于乙二醇溶液中，并将氯化胆碱、乙二醇溶液配制成摩尔比为0.19的离子液体，在25℃范围内搅拌、分散30min。

其中，乙二醇和氯化胆碱均可作为电解液使用，然而，当这两种有机试剂单独使用时，因其粘度太高或导电性能差等原因，在一般条件下很难制备出DLC薄膜；但当乙二醇和氯化胆碱按一定摩尔比混合后，可形成离子液体以便符合碳源的选择标准。

步骤3，在导电玻璃表面沉积类金刚石薄膜：将步骤1得到的导电玻璃浸入电解液中作为阴极，以高纯石墨片为阳极，控制极间距为5mm，以3V恒电压进行电解5min。

如图1中所示，得到的膜层为典型的类金刚石结构，薄膜颜色为棕色且均匀致密。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于：乙二醇和氯化胆碱的摩尔比调整为0.19；极间距调整为5mm；恒电压调整为3V；电解时间调整为30min。

如图2中所示，得到的膜层为典型的类金刚石结构，薄膜均匀致密，但相较于实施例1中得到的类金刚石结构，均匀致密程度稍低，由于电解时间变长。

对比例2

对比例2与实施例1的区别在于：乙二醇和氯化胆碱的摩尔比调整为0.19；极间距调整为5mm；恒电压调整为15V；电解时间调整为5min。

上述得到的膜层为典型的类金刚石结构，粒径在100-200nm，薄膜均匀致密，且薄膜表面疏水性能良好。表面形貌的扫描电子显微照片如图3所示，从图3中可以看出，基体表面包覆着均匀致密的类金刚石膜层；类金刚石薄膜的拉曼图谱如图4所示，从图4中可以看到明显的非对称D峰和G峰，说明所得到的膜层为典型的类金刚石结构；但相较于实施例1中得到的类金刚石结构，恒电压较高，耗能增加。

对比例3

对比例3与对比例2的区别在于：乙二醇和氯化胆碱的摩尔比调整为0.19；极间距调整为30mm；恒电压调整为15V；电解时间调整为5min。

如图5中所示，得到的膜层为典型的类金刚石结构，薄膜均匀致密，但相较于对比例2中得到的类金刚石结构，均匀致密程度稍低，由于极间距变大。

对比例4

对比例4与对比例3的区别在于：乙二醇和氯化胆碱的摩尔比调整为0.3；极间距调整为30mm；恒电压调整为15V；电解时间调整为5min。

如图6中所示，得到的膜层为典型的类金刚石结构，薄膜均匀致密，但相较于对比例3中得到的类金刚石结构，得到的薄膜为典型的DLC薄膜，但得到的薄膜不均匀，只在基底的中心边缘得到部分DLC薄膜。

综上所述，随着乙二醇和氯化胆碱的摩尔比逐渐减小，得到的薄膜将均匀致密，但随着乙二醇和氯化胆碱的摩尔比逐渐增大，得到的薄膜将不再均匀，当乙二醇、氯化胆碱的摩尔比达到0.05，其他条件不变时，此时薄膜的均匀致密程度最高；随着阴极、阳极之间的极间距逐渐减小，得到的薄膜将均匀致密，当阴极、阳极之间的极间距达到5mm，其他条件不变时，此时薄膜的均匀致密程度最高；随着电解时间的逐渐变短，得到的薄膜将均匀致密，当电解时间达到1min，其他条件不变时，此时薄膜的均匀致密程度最高。

本发明中，恒电压的最低可以调整到3V，从而保证类金刚石薄膜在低电压3V下即可成膜，提高生产安全性并降低能耗；同时由于电解液为绿色的离子液体，故而安全、高效，不受基体形貌的限制；避免使用有机溶液作为电解液会存在毒性、腐蚀性、易挥发以及耗能高的问题。