摘 要

本研究采用浸没法制备表面均匀的十八烷基三氯硅烷（OTS）疏水性薄膜，采用接触角测试仪、原子力显微镜（AFM）、傅里叶红外光谱仪等对OTS自组装单分子膜进行测试。通过分析玻璃薄膜的接触角、表面形貌结构、分子结构及均方根粗糙度等参数变化，研究了反应初期分子在玻璃表面上的吸附特点，OTS自组装单分子膜随变量产生的变化规律，薄膜疏水性能和影响因素，薄膜在玻璃表面形成的过程及表面功能化产生的过程等。最后，优化制备工艺及参数，制备出更优质的玻璃表面疏水薄膜。

关键词：十八烷基三氯硅烷 自组装单分子膜 接触角

Abstract

In this work, we have prepared octadecyl trichlorosilane (OST) hydrophobic film with uniform surface by immersion process. Then, the OTS Self-Assembled monolayer has been tested by the contact angle measurements, atomic force microscope (AFM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). By studying the contact angle, surface morphologic structure, molecular structure , rms roughness and other parameters of the glass film, we investigated the adsorption characteristics of molecules on the surface of the glass in the initial reaction, variation of OTS self-assembled monolayers under different condition, hydrophobic properties of the films and its influencing factors, how the film forms on the surface of the glass and how surface functionalization generates and so on. Finally, we optimized the preparation and the main parameters to produce a better hydrophobic film.

Key Words: octadecyl trichlorosilane；Self-Assembled monolayer；contact angle

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 OTS自组装膜的研究状况 2

1.3 自组装单层膜定义及机制 4

1.4 自组装单层膜的类型 5

1.5 分子自组装膜的制备方法 6

1.5.1 化学吸附法 6

1.5.2 溶胶－凝胶法 6

1.5.3 分子沉积法 6

1.5.4 浸没法 7

1.6 OTS SAM成膜机理 7

1.7研究内容 8

第2章 十八烷基三氯硅烷自组装膜的制备 9

2.1 基体材料及药品 9

2.2 实验前期准备 9

2.3 玻璃表面的羟基化 9

2.4 镀膜过程 11

2.5样品的表征 11

2.5.1 接触角的测试 11

2.5.2 红外光谱检测（IR） 11

2.5.3 原子力显微镜测试（AFM） 12

第3章 测试与分析 13

3.1 接触角的分析 13

3.2 红外光谱（IR）分析 15

3.3 原子力显微镜（AFM）分析 16

3.4 综合分析 18

第4章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着原子物理学、微纳米制造技术和半导体激光器的不断发展，微型化的芯片级原子器件不断出现，其实包括芯片级原子磁力仪、芯片级原子钟、以及芯片级原子陀螺仪等。原子器件物理系统最重要的部分是原子蒸气腔室，在腔室内极化状态的原子进行各种量子测量实验，原子极化态对于测量效果非常重要。但是在常温下，气态原子热运动非常激烈，会与玻璃腔壁在极短的时间内发生碰撞，造成极化态原子的完全退极化。这种退极化过程为驰豫过程，所需要的时间就称为驰豫时间。也就是说相应原子相干性的弛豫时间决定了这些装置的精度；更长的弛豫时间可以达到更高的精确度。所以为了提高测量的精度，需要尽可能的抑制驰豫过程，增长驰豫时间。

目前原子蒸气腔室抗抗弛豫方法主要有两种。一种为向原子腔室冲入一定量的惰性气体，以起到缓冲的作用。即极化原子与缓冲气体在腔室内就直接发送碰撞，频繁的碰撞可以减缓原子的运动速度，也就延长了在腔室内稳定观察极化原子的时间，在原子碰撞腔室壁，以及退极化之前完成测量的过程。另一种方法为使用有机分子在原子腔壁堵上一层薄膜，极化原子只能和涂层发生碰撞，也就避免了原子与腔室壁之间的直接碰撞。所以对成膜的有机分子需要一个特性，及与原子碰撞是对原子极化态的破坏非常小，从而可以容许多次以及相对的长时间碰撞。

Dehmelt^[1]在1957年钊原子退极化的吸收截面研究中，第一次采用氢气作为缓冲气体后，越来越多研究原子弛豫的实验开始采用了各种惰性气体。但是，缓冲气体会使光学谐振信号变宽，这会使原子钟和磁力计的稳定性降低，并且存在缓冲气体还可能会导致原子钟的温度频移。此外，碱金属原子与缓冲气体频繁碰撞对碱金属原子自旋取向造成了干扰。这使得以频率、振幅、偏振光等技术为基础且需要原子校准的光谱技术难以应用。这些问题在毫米级仪器上变得尤为重要，所以需要接近100千帕压强的缓冲气体才能有效抑制腔壁诱导弛豫。就实际效果与应用而言，在腔室壁镀膜比添加缓冲气体更具有优势。

目前在原子蒸气腔室应用的膜层材料主要有以下三类：

第一类：直链烷烃。烷烃类主要代表为石蜡，在1958年原子气室此一次使用石蜡^[2]弛豫镀膜第一次使用石蜡^[2]，石蜡有长的碳氢链(C_nH_{2n 2})的化学结构，可以吸附在腔室内壁，避免碱金属原子直接与腔室壁发生碰撞。在实验中，石蜡最好的抗弛豫性能表现是与原子碰撞10000次而原子没有退极化，但由于石蜡的熔点在60~80℃之间^[3]（石蜡分子具体的熔点由链长决定），石蜡镀膜比较适合在一般室温操作时使用，但如果环境温度或者操作温度较高时，石蜡就会因为熔化而失去效果。

第二类：烯烃。烯烃类中最具代表的是十九碳烯^[4]，以十九碳烯为材料的抗弛豫涂层可以使弛豫时间延长一分多钟，比石蜡的涂层要高上百倍。十九碳烯的熔点很低，仅有33℃，只能在很小的温度范围中使用。但是在实际应用中，原子蒸气腔室常需要通过加热，以使得原子密度加大，达到增强测试信号的效果，所以目前烯烃类的应用很小。