光电薄膜的制备与表征二氧化钛薄膜(3)

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1.2.2 固体润湿性解释理论简介

表面润湿性理论解释到目前为止已有多种，最早的是Young的方程[7]：（1）

其中代表固与气界面之间的张力，同样、分别代表固与液、液与气之间界面张力；θ则为上述提到的平整表面的接触角（杨氏接触角）。不过杨氏方程描述的是固体静态接触角和各个界面之间的张力的关系，因此使用范围有限，表面一般要求是平整、均匀、惰性的。

因此，对于分析粗糙的表面结构（微观下），需要运用更适当的模型。当表面是粗糙结构时候，表面的亲水性质将会发生一定改变。Wenzel 方程提出者Wenzel从Young方程出发，建立如下方程[8]：（2）

进一步化简得到方程：（3）

为受固体表面粗糙度影响的表观接触角; r称为粗糙度因子，数值上等于实际固/液接触面面积与表观固/液接触面面积之比; θ为(本征)接触角。若粗糙固体表面的物质具有亲水性，则液体会完全浸满表面的凹槽，适合用Wenzel方程解释源:自/751-·论,文'网·www.751com.cn/

还有Cassie方程：（4）

是水滴为表观接触角，θ为(本征)接触角。若粗糙固体表面的物质具有强疏水性，则液滴悬着于粗糙的微凸体表面，适用Cassie方程说明。

反正，粗糙的表面相对均匀，而且粗糙结构的尺寸相比于水滴的半径要远远小，其润湿现象可以利用上述Wenzel方程和Cassie方程来进行理论解释。除此之外，还有过渡理论来描述两种润湿态之间的转变。

1.2.3 润湿性的影响因素

影响二氧化钛薄膜的亲水性因素主要有二氧化钛的晶型、膜厚、膜的热处理时间、膜本身粗糙程度、膜表面羟基含量以及是否添加其它改性物质等，因此随着制备方法和制备条件的不同所制备的薄膜在亲水性的保持和转化程度上也不同。

例如，沈杰等[9]用溶胶一凝胶法制备出TiO2薄膜并对其亲水性进行了研究，得出的结论是在该法下500℃下退火6h为最佳时间，所得晶型为锐钛矿型，有较好的亲水性和光催化活性。

1.2.4 TiO2的润湿性模式发展

近几年，虽然已经大量相关研究，但仍然有各种各样的机会去发现TiO2的新应用。TiO2表面具有非常强的降解有机分子的能力，可以具有超亲水性，因此可以用来探索润湿性模式。润湿性模式在许多地方已经被运用起来，比如说胶印、印刷电路板。为了形成润湿性模式来达到这些运用目的，需要利用光敏聚合物加之光照进行光刻，从而形成疏水-超轻水的润湿性模式。在这一过程中，往往会用到一种叫做photomask的东西将光遮挡，是其上的几何图形印到基板上去，然后在利用光敏聚合物完成雕刻。其实表面粗糙或者平滑的TiO2材料既可以变得疏水状态也可以变得亲水状态，只要通过一定的疏水化合物，比如说十八烷基（ODS）[10][11]。这些表面可以利用紫外照射下的光降解和超亲水性，通过降解疏水化合物，来达到表面的亲水性。因此双超亲的表面就可以通过photomask制作出来，形成表面同时具有疏水区域与亲水区域的情况。增加表面的粗糙度可以使得降解疏水有机化合物的时间缩短，提高效率。文献综述

除此之外，用于产生双亲TiO2表面的方法也被报道出来[12]：通过涂疏水性化合物的自组装单分子层（SAM），再选择性对样品进行紫外光照射。在此方法中，喷墨打印机是用来沉积作为光致抗蚀剂的水基油墨层。然后经过紫外照射，SAM没有被上述抗腐蚀层所保护的区域将光致降解形成超亲水性，相应的是水基油墨层保护区域将保持超疏水状态，这样一来疏水-亲水模式就形成了，具体过程如下图1所示。当然此模式可以通过紫外照射整个表面而消失，变成整个亲水性表面。而且，表面可以通过此重复上述步骤，反复使用，将是一款环保的润湿性模式板。