具有微納米多級形貌的圖案化薄膜具有特殊的親疏液性能，在海洋防污防腐等研究領(lǐng)域中占有很重要的位置。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所烏學(xué)東研究團隊之前通過電化學(xué)-化學(xué)共沉積的方式得到了表面形貌可控的Ni-P合金薄膜，這一薄膜無需進行低表面能氟化物的修飾即展現(xiàn)出了較強的疏水性能。
最近，該課題組對這一共沉積形貌的變化規(guī)律進行了更進一步的研究，對薄膜形貌的變化機理有了更深入的認(rèn)識。他們通過對不同沉積時間下薄膜形貌和元素成分等信息的觀察，認(rèn)為薄膜形貌的產(chǎn)生是通過還原-放電過程（reducing-discharging process）來生長的。即薄膜在初始階段，會有通過還原劑還原形成的納米級顆粒零散分布在基底薄膜表面，使得平整的基底/沉積表面首次出現(xiàn)了一定的納米級的粗糙度。根據(jù)尖端放電原理，由于表面變得更加粗糙，粗糙度比較大的顆粒曲率比較大，表面電荷分布比較集中電流密度偏大，電沉積速度比較快。這樣就造成了沉積速率在基底表面的不均勻，直接引起了之后表面形貌的產(chǎn)生。
同時，薄膜的生長過程還結(jié)合不穩(wěn)定生長理論（the theory of unstable growth process）進行了解釋。根據(jù)這一理論，電解液中擴散傳質(zhì)過程容易在沉積表面引起任意形狀的凸起，進而增強了沉積薄膜表面形貌的不穩(wěn)定性。沉積過程產(chǎn)生的波動造成表面形貌進一步變化。協(xié)同沉積過程通過XPS對表面元素價態(tài)的分析也可以進行驗證。通過對薄膜中P元素的價態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)P元素除了以零價態(tài)的形式存在外，還有一部分的價態(tài)形式與亞磷酸根中P的價態(tài)形式相吻合。而薄膜中亞磷酸根的存在即可證明電解液中發(fā)生了還原反應(yīng)（次磷酸根與鎳離子發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生亞磷酸根）。這一結(jié)果為協(xié)同沉積提供了直接的強有力的證據(jù)。
該研究工作還表征了沉積薄膜的疏水性能，該薄膜具有超疏水低接觸角滯后等優(yōu)異的性能。結(jié)合鎳合金本身良好的防腐蝕性能，這一圖案化薄膜在防腐方面具有應(yīng)用價值的潛力。同時，圖案化形貌的存在，不利于微生物在表面的吸附，也可以應(yīng)用于防污領(lǐng)域。
該研究工作發(fā)表于美國化學(xué)會雜志ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (2), pp 1053–1060。工作得到了國家自然科學(xué)基金(No. 51105356, 51335010)的資助，以及浙江省創(chuàng)新團隊(No. 2011R50006)和寧波市創(chuàng)新團隊(No. 2011B31023)的支持。
不同沉積時間對Ni-P合金薄膜表面形貌的影響的掃描電子顯微鏡照片。（a-f依次為 1 min、5 min、10 min、20 min、30 min、60 min的低放大倍數(shù)圖片顯示薄膜沉積的均勻性）
純Ni薄膜（上）和圖案化Ni-P合金薄膜（下）的生長示意圖
