2、结果与讨论

2. 1　放电压力对a - C: F薄膜特性的影响

不同放电压力下制备的a - C: F薄膜的红外吸收谱图如图3。放电压力从25 Pa上升到1 000Pa,位于1 220 cm- 1处的CF2非对称伸缩振动峰最强烈,可以推断出薄膜的主要成分是CF2基团。在低气压介质阻挡放电等离子体中,由于分子与电子的碰撞, C4 F8可以分解产生各种各样的氟碳粒子, 例如, —CF2 —, —CF2 CF2 —, —CF2 CF2CF2 —以及其他的链状结构的粒子[ 15 ] 。这些粒子在表面发生聚合反应,沉积到基底上,生长成a -C: F薄膜。

图3 不同放电压力制备的a - C: F薄膜的红外吸收谱图

放电压力的改变对a - C: F薄膜的沉积速率有较大影响。a - C: F薄膜的沉积速率随放电压力变化的曲线如图4。由图4可见,随着放电压力的升高, a - C: F薄膜的沉积速率呈现升高的趋势。在放电压力P = 1 000 Pa时,沉积速率达最大值,为193 nm·min- 1。低气压介质阻挡放电是由一个个大面积均匀的辉光放电脉冲所组成。在每个放电周期内,放电脉冲的数目主要取决于气体放电的Pd值和所施加的峰值电压[ 16 ] 。峰值电压保持不变, d (放电间隙)不变, 增大P,在一个放电周期内放电脉冲的数目将增加。根据帕邢定律, 随着P 的增加, Pd 值增大, 击穿电压Vs减小[ 17 ] ,气体容易被击穿,且随着Vs的减小击穿数目增多,气相聚合反应加剧,从而加快了薄膜的沉积速率。

图4 a - C: F薄膜(以硅片为基底)的沉积速率随放电压力变化的曲线

放电压力的改变对a - C: F薄膜的均方根表面粗糙度(RMS)的影响也较大,如图5。由图5可见,放电压力较低时, a - C: F薄膜的RMS值较低,小于1. 0 nm;放电压力较高时, a - C: F薄膜的RMS值较高,大于100 nm。在较高放电压力下,介质阻挡放电通常呈现丝状放电形式,通过放电间隙的电流由大量短脉冲电流细丝组成,电流细丝在放电空间和放电时间上都是无规则分布的,这种微放电电流细丝的形成通常称为微放电。微放电是在气体间隙里某一个位置上发生的,同时在其他位置上也会产生另外的微放电,高气压下不均匀的薄膜表面结构与高气压下的放电不均匀性直接相关。微放电的形成和微放电丝中形成的瞬时的高电流密度主要与高压力下较高的气体密度有关。若降低放电压力,微放电通道半径将成反比例增大,进一步降低放电压力,可以使介质阻挡放电变成大面积均匀的辉光放电形式[ 16 ] 。当放电压力从25 Pa增加到1 000 Pa时,放电形式由均匀的辉光放电形式过渡到了不均匀的丝状放电形式,从而会导致a - C: F 薄膜的RMS值由0. 45 nm 快速增加到141 nm。

图5 a - C: F薄膜(以硅片为基底)的RMS值随气压变化曲线

a - C: F薄膜的AFM图(表面形貌图) 如图6。其中,图6a是放电压力为25 Pa、扫描范围为2μm ×2μm、薄膜表面起伏范围为10 nm的AFM图; 图6 b是放电压力为1 0 0 0 Pa、扫描范围为80μm ×80μm、薄膜表面起伏范围为500 nm的AFM图。当P较高时,薄膜表面很粗糙,所以选取可以大范围扫描的接触模式对薄膜进行扫描,扫描范围选定在80μm ×80μm。水滴滴到滤纸上经过5 s的图片如图7, ( a)为水滴在镀有a - C: F薄膜的滤纸上的照片,( b)为水滴在未镀a - C: F薄膜的滤纸上的照片( P = 100 Pa, f = 1 kHz, d = 3 mm) 。从图7中可以看出,未镀膜的滤纸将水完全吸收了,而镀膜的滤纸则表现出很强的疏水特性,水滴形状基本保持不变。

图6 以硅片为基底的a - C: F薄膜AFM图

图7 水滴滴在滤纸上的图片

放电压力对a - C: F薄膜与去离子水之间接触角的影响见表1。随着放电压力的升高,无论是以硅片、玻璃介质还是以滤纸为基底, a - C: F薄膜的接触角均呈增加的趋势,并且θ1 >θ2 >θ3 (θ1、θ2 、θ3分别是以滤纸、玻璃、硅片为基底制备的薄膜的接触角) 。θ3随着a - C: F薄膜的RMS值的增加而增加。镀膜前、后滤纸的SEM图如图8。

图8 SEM表面形貌图

从图8中没有看出明显变化,这是因为制备的a - C: F薄膜很薄,没有对滤纸的表面形貌产生影响。从图8b可以看出,滤纸的表面很粗糙,所以生长出的薄膜表面也相对较粗糙,同时也可以明显看出玻璃表面要比硅片表面粗糙很多。从红外分析谱图(如图9)可以得出薄膜的主要成分是CF2 基团, 薄膜中含有疏水性基团CF2 和CF3 [ 18 ] ,所以薄膜可以表现出很强的疏水特性。从上面的考察可以看出,薄膜的接触角随着薄膜的RMS值的增加而增加,进而得出结论,薄膜的表面粗糙度是影响薄膜疏水特性的重要因素。