基于氧化铝、氧化钛纳米有序微孔阵列研究结构诱导表面润湿转变的物理机制

In the project, experimentally, the new technologies will be developed to prepare a large area of porous AAO(or TiO2) ordered nanoarrays with triangle, square, hexagon and the correponding metal, semiconducter, carbon-AAO (or -TiO2) ordered composite nanoarrays. Then their surface wetting properties will be investigated and obtain the quantitative relationship of the nanostructure parameteres, surface free energy with the wetting properties, make clear the physical nature of wetting transition induced by the surface structure. Theoretically, the physical mechanism of wetting transition induced structure will be deeply discussed, and a resonable wetting model will be established to describe quantificationally the wetting properties of structured surface. The research project would have some advantages as followings: 1) The material nanostructure is easily controlled precisely, this is benificial to modulate specific surface area, and supply a convinience for the calculation of the surface free energy. 2) The nanoarray is highly ordered, the arranging formation of nanopores is easily adjusted and the air would be easily trapped. Of course, the nanoarray is an ideal structure model for the study of wetting transition induced by surface structure. 3) The different materials, such as metal, semiconductor, carbon are deposited into nanopores to adjust surface free energies, this would be benificial to discuss the relationship of wetting properties with the surface free energy and to make clear the physical nature of wetting transition induced by the surface structure.

该项目的总体思路是，实验上探索制备大面积三角、四方、六方排列的AAO(或TiO2)有序多孔（管）阵列结构及其金属、半导体、碳-AAO(或TiO2) 纳米有序复合阵列结构的新工艺，研究结构参数、表面自由能以及表面润湿特性三者之间的定量关系，探究结构诱导表面润湿转变的物理本质。理论上建立更接近于实际的结构模型和界面能量体系，深入探讨结构诱导表面润湿转变的物理机制，建立定量描述结构化表面润湿特性的物理模型。显然，该项目有如下优点：1）通过控制阵列结构自身孔（管）道的几何尺寸，可精确调制其比表面积，这为表面能的精确计算提供了条件；2）微孔阵列排列高度有序，排列方式易于调控，且微孔内易于囚禁空气，为结构化表面润湿特性研究提供了理想的结构模型；3）在孔道内植入不同材料(金属、半导体、碳等)以调控表面自由能，有助于研究表面能与表面润湿性的关系，探究结构诱导表面润湿转变的物理本质。

该项目旨在设计并构建具有微纳结构阵列表面，研究表面微纳结构诱导的润湿转变机制，建立可描述结构化表面润湿特性的物理模型，进而开展防雾、自清洁、光伏、光催化等应用基础研究。本项目执行期间（2015.1-2018.12），主要开展了四方面的工作：一是基于杨氏理论、Gibbs界面自由能原理初步建立了可描述结构化表面润湿特性的理论模型；二是优化了阳极氧化、水热以及旋涂等工艺参数群，制备了氧化物半导体纳米管、棒、锥、片、球以及光子晶体等有序阵列结构，为进一步结构化表面润湿特性研究提供了丰富的结构模型；三是基于空间电荷极化原理选用窄带隙或稀土氧化物半导体材料（如CZTS、La2O3等）与前述制备的纳米结构进行复合，构筑多种异质结，采用气相、液相法引入氧空位缺陷，从而改变材料内部与表面电荷分布，增强结构的表面润湿响应和光电性能；四是还适时拓展研究了铜锌锡硫（CZTS）、CZTSSe、甲氨基碘化铅（CH3NH3PbI3）钙钛矿薄膜等新材料的设计制备及其光伏、光催化、场发射和表面润湿特性应用研究。上述研究均取得了很好的研究成果。. 项目执行期间共发表期刊论文33篇，其中SCI收录论文28篇，国内核心期刊5篇；发表会议论文3篇，学位论文15部；获国家授权发明专利2项；或甘肃省高校科技进步奖1项；培养博士研究生1名，硕士研究生14名。总之，我们较高质量地完成了本项目的研究任务，实现了预期研究目标，为进一步基于表面润湿特性的自清洁、防腐蚀、高清显示以及光伏、光催化等器件研发提供了翔实的科学依据。