由三乙氧基硅烷自组装形成的单层结构：水分含量和化学结构对形成动力学及形态的影响

《Langmuir》：Self-Assembled Monolayers from Triethoxysilanes: Influence of Water Content and Chemical Structure on Formation Kinetics and Morphology

自组装单层膜（SAMs）形成机制研究通过原位ATR-IR和QCM-D结合离位XPS、AFM等技术，揭示干湿条件对硅烷分子沉积路径的影响，证实低浓度下咪唑啉硅烷优先吸附并引发聚合反应，导致表面粗糙度增加，阐明反应路径差异与宏观性能变化的关联。

　　

硅烷分子在氧化表面的凝结过程，即自组装单层（SAMs）的形成，是一种简单且多功能地控制表面性质的关键方法。然而，SAM的形成对反应条件的微小变化非常敏感，这些变化可能导致宏观性质的不同。在此研究中，我们使用衰减全内反射红外（ATR-IR）光谱和带有耗散功能的石英晶体微天平（QCM-D）作为原位分析方法来研究SAM的形成过程，并结合X射线光电子能谱、原子力显微镜和接触角测量等离位分析方法来评估形成的SAMs的最终组成、形态和功能。首先，我们通过光谱学方法解析并量化了干法和湿法反应条件下的反应路径差异，这验证了现有文献的研究结果。其次，我们以n-丁基三甲氧基硅烷和1-(3-三乙氧基硅基丙基)-2-咪唑啉硅烷作为模型体系，研究了二元SAMs的形成过程。研究发现，在低浓度下，咪唑啉硅烷更倾向于被纳入SAM中；与纯硅烷表面相比，混合SAMs的表面粗糙度显著增加。原位分析表明，基于咪唑啉的SAM沉积过程并非自我限制的，而是会持续在表面上添加沉积物。ATR-IR光谱显示咪唑啉基团与表面存在多种相互作用，这些相互作用促进了硅烷基团在溶液中的聚合，从而解释了沉积物质量增加和表面粗糙度升高的现象。我们的研究展示了结合原位和离位表征方法的潜力，能够揭示反应路径中的差异，进而合理解释在功能性SAM形成过程中观察到的宏观性质变化。