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PECVD法制备高疏水性氟碳聚合物( a-C:F)薄膜的研究

2019-01-02 11:32
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氟碳聚合物( a - C: F)薄膜不仅具有优良的自润滑性、低介电常数、耐腐蚀性,还具有很强的疏水特性。近年来,疏水性薄膜已经广泛的应用于许多研究领域,发挥着非常重要的作用,引起全世界的普遍关注 。对于用六氟环氧丙烷作为放电气体制备a - C: F薄膜,美国麻省理工学院的Gleason 等[ 6 ] 指出, 采用热丝化学气相沉积(HFCVD)法,六氟环氧丙烷的流速和热丝预处理时间严重影响了用HFCVD方法沉积氟碳薄膜的结构和形貌; 美国马萨诸塞大学Rastogi等[ 7 ]认为,因被吸附的自由基和其他物种的吸附系数的不同,基底温度将影响薄膜的形貌和分子结构。美国科罗拉多州立大学的Fisher等[ 8 ]得出结论,用六氟环氧丙烷等离子体电感耦合脉冲放电法可沉积出包含交联结构很少且高度有序的a - C: F薄膜。意大利巴里大学的d’Agostino等[ 9 - 10 ]发现,采用电容耦合八氟环丁烷等离子体沉积可得到a - C: F薄膜;低的射频功率导致薄膜的交联结构减少和CF2含量的增多;晶带的尺寸和密度影响了薄膜表面的粗糙度,进而决定了薄膜的疏水性[ 10 ] 。国内对a - C: F薄膜的研究才刚刚起步。如中南大学的刘雄飞等[ 11~12 ]以CF4和CH4的混合气体为源气体, Ar为工作气体,用射频等离子体增强化学气相沉积法制备了a - C: F薄膜,发现随着沉积温度的升高,薄膜表面变得均匀,退火后的薄膜表面比没有退火的薄膜表面平坦。西安电子科技大学的杨银堂等[ 13 ]采用电子回旋共振等离子体化学气相沉积方法,以C4 F8和CH4为放电气体制备了a - C: F薄膜,指出在一定范围内加入CH4或者提高微波功率,不仅可以改善薄膜的热稳定性,同时还可以减小薄膜的介电常数。

利用介质阻挡放电制备薄膜具有其独特的优势:放电方式简单,设备成本低;放电室气体间隙小(通常几毫米) ,腔体体积小,气体流量低;由于介质的存在,避免了气体在电极之间完全击穿,因此耗能较低。关于利用低气压介质阻挡放电制备a - C: F薄膜的报道并不多见。本文以八氟环丁烷(C4 F8 )为放电气体,采用介质阻挡等离子体增强化学气相沉积(DBD - PECVD)法沉积a - C: F薄膜, 并使用FTIR (Nicolet Auatar 370 DTGS) 、AFM (Dimension 3100) 、光学接触角测量仪( Phoe2nix 300)分析了薄膜结构、表面形貌及其疏水特性,利用台阶仪( Surfcorder ET4000m)对a - C: F薄膜的厚度进行了测量。经研究发现,用该方法制备的a - C: F薄膜表面平整,具有很强的疏水特性。

1、实验方法

1. 1 薄膜的沉积

实验装置示意图如图1。放电室腔体真空密闭,气体放电间隙在0~5 mm可调,实验选用厚为3. 5 mm的普通玻璃作为介质,高压电极与玻璃介质接触,地电极与玻璃介质间隙为3 mm。抽气系统由机械泵( ZXZ - 4型,上海真空泵厂)和电磁真空带充气阀(DDC - JQ - A,上海阀门二厂)组成。放电压力通过绝对电容压力计(626A型,美国MKS公司)测量,并经质量流量显示仪(D08 - 4D /ZM型,北京七星华创)调节。采用介质阻挡等离子体增强化学气相沉积(DBD -PECVD)法是以硅片(p - Si ( 100) ) 、玻璃介质和滤纸为基底沉积a - C: F薄膜, C4 F8 ( 99. 99 % )为放电气体,Ar为工作气体, C4 F8和Ar通过质量流量计精确控制混合后送入放电室。基底首先用无水乙醇(99. 99 % )清洗,以除去表面的氧化层和污染物,然后快速放入放电室中,尽量减少尘埃对基底的污染。沉积薄膜前,需在Ar环境中放电15 min,对基底表面进一步清洗。沉积a - C: F薄膜时,放电压力控制在25~1 000 Pa,放电峰值电压(Vpp )为24 kV,放电频率为1 kHz,放电间隙为3 mm。

图1 实验装置示意图

1. 2 薄膜的表征

使用傅里叶变换红外光谱仪( FTIR, NicoletAuatar 370 DTGS)对a - C: F薄膜表面的化学成分及成键结构进行分析。利用光学接触角测试仪( Phoenix 300)测量a - C: F薄膜与去离子水之间的接触角。把水滴滴到一固体平面上时,平衡状态下液- 气界面所成的角度θe 表示接触角,如图2[ 14 ] 。利用扫描探针显微镜(AFM, Dimension3100)测量a - C: F薄膜(以硅片为基底,硅片表面光洁平滑, RMS值为0. 1 nm) ,观察不同放电条件下a - C: F薄膜形貌的变化。实验在大气环境中操作,使用掺磷硅纳米碳针尖,针尖直径< 10nm,测量范围为2 μm ×2 μm。实验中选取轻敲模式(即在一个振动周期的大部分时间内针尖不接触a - C: F薄膜表面,可以对薄膜进行无损检测)测量a - C: F 薄膜的表面形貌。用台阶仪( Surfcorder ET4000m)测量薄膜厚度,再用厚度除以沉积时间,得到薄膜的沉积速率。

图2 固体与去离子水之间的接触角(θe )

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