利用氩气团簇的有机聚合物膜深度剖面研究

低温等离子体聚合已被证明是一种经济、通用的聚合物涂料沉积方法。¹

这种技术是清洁的，没有溶剂，并能沉积涂层在各种基材上。亚博网站下载等离子体聚合工艺与传统聚合工艺相比，具有以下几个关键特点:²

• 所形成的聚合物没有可识别的重复单元
• 聚合物的性能很大程度上取决于聚合条件和初始单体结构
• 一般的可聚合官能团，如双键，对潜在的单体来说是不需要的

等离子体聚合的化学过程是非平衡的、非热的过程，非平衡等离子体中的电子温度比气体温度高几个数量级。²此外，化学反应可以在比热条件下更低的温度下发生。

然而，等离子体聚合技术的一个主要限制是反应过程，如交联反应、紫外线损伤和离子轰击²在等离子体中，形成结构复杂的聚合物网络。这些聚合物网络与前体分子几乎没有相似之处。因此，含有高化学特异性的薄膜是很难生产的。

实验参数如输入功率、^3，4底物的本质,^3，5气体成分和压力，^5，6衬底温度,^{6 - 9}底物的位置,¹⁰反应堆的维度¹¹等等，为化学计量提供一定程度的控制。例如，当提供给等离子体的功率减少时，许多被研究的系统中官能团的保留量增加。^3.然而，总体上的选择性可能仍然相当低。

研究了不同交联程度的丙烯酸等离子体聚合物的溅射深度剖面。

如图1所示，丙烯酸单体分子包含一个双键和一个酸基团。交联程度可以通过XPS测量的聚合物膜中保留的酸基团的数量来理解。

必须指出的是，在本研究中没有试图区分酯基(COOC)和羧酸基(COOH)。在XPS谱中发现，这两个化学基团具有相同的化学位移。

图1所示。丙烯酸单体分子

实验和结果

奎托斯的迷你波束6多模Ar气体簇离子源(GCIS)用于等离子体聚合物薄膜的溅射深度剖面(图2)。

该离子源可以产生每个团簇离子多达3000个原子的大量Ar团簇，可在高达20 keV的电势下加速，用于有机材料的溅射深度分布。亚博网站下载大簇离子与单原子离子不同，不能深入到亚表面区域。

撞击产生的能量在样品表面的头几个纳米内耗散。¹²从集群中的所有原子共享总离子能量,每个弹原子的能量(称为分区能源)可以低至几个电子伏特导致温和去除前几纳米的表面没有任何重大化学损害底层材料。

图2。Kratos的Minibeam 6多模气体簇离子源

图3说明了GCIS的原理图。该离子源可用于多种模式，如单原子氩⁺金属和其他无机样品的模式;大规模的基于“增大化现实”技术_n⁺有机样品深度剖面的聚类分析模式低能量的他⁺离子散射光谱模式;以及无机氧化物溅射的中团簇、高能模式。

在团簇模式下，Ar气体的等熵绝热冷却导致了大型Ar团簇的形成，因为Ar气体通过de Laval喷嘴从高压向源区真空膨胀。的基于“增大化现实”技术_n这样形成的团簇随后被电子撞击电离，然后沿着离子柱加速。

采用维恩速度滤波器缩小了聚类大小的采样范围。离子被加速到最大20 kV，聚焦，并在样品表面形成光栅。

图3。微型波束6多模气体簇离子源的原理图。

在等离子体聚合物之前对标准多层聚合物样品进行了剖面分析，以表征离子源的性能。作为EURAMET项目的一部分，该样本由英国国家物理实验室提供，包含NPB/ Alq3交替层。图4显示了层结构的示意图。

NPB是一种含有H和C的聚合物₉H₆没有)_3.δ层含2.9% Al，可作为表征样品多层结构的标志。

图4。EMRP NPB/ Alq3多层样品

5 keV基于“增大化现实”技术₁₀₀₀⁺离子被用来蚀刻多层膜。图5显示了样品的测量元素组成。在此条件下，蚀刻速率为28 nm/min，离子剂量为8 × 10¹⁴离子/厘米²。Alq3层具有较好的界面分辨率。

图5。Alq3 / NPB多层深度剖面。O, C和Si的浓度在左边Y轴上而Al的浓度在右边Y轴上。

GCIS用于分析三种丙烯酸等离子体聚合物(ppAA)，它们在以下条件下沉积:

• 样品1:10 W等离子放电功率，样品放置于距电极10 cm处
• 样品2:10w等离子放电功率，样品放置于距电极5cm处
• 样品3:50 W等离子放电功率，样品放置于距电极5 cm处

样品1、2和3的样品厚度分别为46、76和83 nm。表面的c1s XPS光谱显示了不同程度的酸基团保留(图6)。

图6。介绍了ppAA的c1s光谱。

正如预测的那样，样品1保留了最大浓度的表面酸基团，因为该聚合物是在最良性的等离子体条件下沉积的:(低功率，远离电极)。然而，样品3保留了最少的酸基团;(功率高，离电极近)。

采用氩气溅射成型₁₀₀₀加速能量分别为5、10和20 keV的星团。这使得每个原子的分配能量分别为5、10和20 eV。在图7中，剖面结果被绘制为产额体积(每个簇离子除去的物质数量)与分配能量(每个原子的平均能量)。

图7。不同波束条件下ppAA的深度剖面。

当配分能量增加时，每个离子的产额体积也在研究的有限能量范围内以伪线性方式增加。在所有情况下，观察到交联越多的ppAA(样品3)在给定的离子能量下具有更低的产率体积。

对于所有的样品和所有的束能，ppAA的化学浓度在薄膜中没有不同。图8中O浓度与深度的关系图说明了这一点。

图8。示例1。在3种不同的光束加速电压下，O浓度随深度的函数关系。

同样，在所有束流能量下，薄膜的C化学性质在剖面上保持不变。图9中C化学与深度在5ev配分能下的关系图再次显示了示例1的情况。

图9。在配分能为5ev时，样品1的C化学作为深度的函数。

图10显示了样品1在离子剂量为8 × 10后从表面得到的c1s光谱的叠加图¹³离子/厘米²(靠近Si衬底界面)，表明在剖面中，ppAA没有受到化学影响。

图10。在离子剂量为8 × 10后，样品1的c1s光谱从表面(红色)覆盖¹³离子/厘米²(靠近Si衬底界面)。

结论

这篇文章表明多模Ar气体簇离子源可有效地用于各种不同化学结构的有机样品的溅射深度剖面。

在此分析中，已证明离子产率取决于交联程度，特别是对丙烯酸等离子体聚合物。此外，大量氩气团簇去除表层并没有改变样品的化学性质。离子产额也依赖于光束的加速电压。

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致谢

Kratos非常感谢斯威本科技大学科学、工程与技术学院的Sally McArthur教授提供的丙烯酸等离子体聚合物样品。亚博老虎机网登录

Kratos还想感谢国家物理实验室的Alex Shard和Steve Spenser提供了Alq3校准标准。

参考资料及进一步阅读

1. H.等离子体聚合;学术出版社，伦敦，1985。
2. 《材料技术中的冷等离子体》;亚博网站下载IEEE出版社，1994。
3. d \ ' agostino博士r;Favia p;弗拉卡西(F. J. Polym)科学。化学学报1990,28,3387。
4. 亚历山大·m·r·;Duc, T. M. J.脱线。化学。1998,8(4)，937。
5. 克拉克·d·t·;沙特尔沃思，D. J.波利姆。科学。:变异较大。化学。Ed.1980, 18岁,27岁。
6. d \ ' agostino博士r;Cramarossa f;卢奇，F. J. appll。中国科学(d辑):地球科学(英文版)
7. 洛佩兹,g p;拉特纳，b.d. J. Polym。科学。: A部分:聚合物化学1992,30,2415。
8. 洛佩兹,g p;拉特纳，b。d。j。变异较大。科学。::。变异较大。Sym 1990, 46, 493。
9. Yasuda h;王志强，王志强。科学。:变异较大。化学。编，1985,23,87。
10. 碎片,a·g·;Munro, h . s .;巴迪亚，J. P. S. Polym。化学，1991,31,152。
11. 金,h . y .;安田，H. K. J. Vac。科学。抛光工艺。中国科学院大学学报(自然科学版);
12. Gillen, g;罗伯森,美国;快速通讯质谱。1998,12,1303-1312。

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