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柔性有機膜作為重要的功能材料,在電子器件、封裝等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。然而,一些有機膜存在親水性不足、生物相容性差、化學(xué)反應(yīng)活性低等缺點,通過等離子表面處理等方法引入羥基官能團可以增加有機膜的親水性,改善有機膜的性質(zhì)和功能,使其更適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。

原子層沉積(ALD)是一種基于有序、表面自限性的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。在柔性有機襯底表面上,使用ALD技術(shù)制備Al₂O₃薄膜在微電子、光學(xué)、電子器件和材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。該薄膜可作為絕緣層、電介質(zhì)層,具有保護和界面調(diào)控等功能。大多數(shù)的柔性有機襯底表面為疏水性的,缺少特定的官能團作為吸附位點與三甲基鋁(TMA)發(fā)生化學(xué)吸附,絕大多數(shù)TMA與有機襯底表面之間發(fā)生弱而非化學(xué)性質(zhì)的物理吸附,導(dǎo)致先形成分散的團簇,需要經(jīng)過多個ALD循環(huán)之后才能連接成膜,影響Al₂O₃薄膜的表面形態(tài)。化學(xué)吸附是指吸附劑與表面之間產(chǎn)生化學(xué)鍵形成的吸附作用,通常具有更強的結(jié)合力和較高的吸附容量。TMA中的甲基(-CH3)基團可以與羥基(-OH)基團形成甲基氧化鋁化學(xué)鍵產(chǎn)生化學(xué)吸附。羥基化是指將材料表面上的基團轉(zhuǎn)化為-OH基團的化學(xué)反應(yīng)或處理過程,通過羥基化預(yù)處理改變有機襯底表面化學(xué)性質(zhì),使TMA與有機襯底發(fā)生化學(xué)吸附,這有利于有機襯底表面Al₂O₃薄膜的沉積,提高了界面結(jié)合強度和薄膜質(zhì)量,優(yōu)化了界面能級,減少了界面反應(yīng)和雜質(zhì)擴散,促進了ALD-Al₂O₃薄膜在微電子器件、光電器件、化學(xué)傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

等離子體羥基化

羥基化技術(shù)是非常重要的化學(xué)修飾技術(shù),通過向分子結(jié)構(gòu)中引入-OH基團,改變材料的表面活性,改善材料的加工性能。由于大多數(shù)有機膜表面呈現(xiàn)疏水特性,缺少羥基基團等特定的官能團作為吸附位點。

在ALD-Al2O3過程中,有機膜襯底由于缺少化學(xué)吸附位點,前驅(qū)體TMA與襯底表面發(fā)生物理吸附。這一過程容易受到溫度和壓力等腔室內(nèi)部環(huán)境因素的影響而發(fā)生脫附。因此對有機膜襯底進行羥基化處理,提高襯底表面的羥基基團數(shù)量,能為前驅(qū)體進行化學(xué)吸附時提供更多的羥基位點。

干法羥基化又叫等離子體羥基化,它是利用O2、H2O、O2/O3、Ar、空氣等產(chǎn)生的等離子體對柔性有機襯底表面進行處理,在有機襯底表面生成羥基等親水性的含氧官能團的過程。

Ar等離子體羥基化示意圖

O2等離子體通過直接向有機膜表面添加含氧官能團來起作用，而氬等離子體首先通過離子轟擊分離表面原子，留下聚合物表面的自由基。其原理為氣體電離之后會在等離子清洗機中生成能量參數(shù)范圍為0-20eV的正,負離子,電子以及亞穩(wěn)態(tài)粒子,而C-C鍵強度僅為2.6-5.2eV,因此在等離子體的轟擊下會破壞C-H和C-C鍵,碳鏈斷開形成末端自由基,當(dāng)經(jīng)氬等離子體處理的有機膜暴露于環(huán)境空氣中時，空氣中的氧氣和水分與這些自由基反應(yīng)，形成羥基。