Sep. 21, 2023
化學(xué)活化是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的方法處理襯底表面,使其具備化學(xué)活性以更好地與下一步處理方式相結(jié)合。隨著科技的飛速發(fā)展,襯底表面活化處理方法也變得更加多樣化。目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多針對(duì)襯底表面活化的處理方法,如化學(xué)溶液處理、等離子體表面處理、紫外-臭氧處理、準(zhǔn)分子激光處理、電暈放電處理和表面接枝等。下面將詳細(xì)介紹等離子體表面處理方法。
“等離子體”的物理定義是指低氣壓放電產(chǎn)生的電離氣體,正負(fù)電荷密度基本相等,可以存在于非常廣泛的溫度和壓力范圍內(nèi)。等離子體是由高激發(fā)態(tài)的原子、分子、離子和自由基組成的,它們是由氣體(例如CO2、O2、N2、NH3和H2)在微波、射頻(RF)波或高能電子激發(fā)下獲得的,可以分成高溫等離子體和低溫等離子體。其中,低溫等離子體對(duì)襯底表面處理應(yīng)用十分普遍,常用作活化改性等表面處理。
低溫等離子體產(chǎn)生的自由基對(duì)襯底表面有四個(gè)主要影響:清除表面的有機(jī)污染物、通過(guò)燒蝕去除材料以增加表面積或去除弱邊界層、交聯(lián)或分支以增強(qiáng)表面的粘結(jié)性和表面活化以改善粘結(jié)界面的化學(xué)和物理相互作用。這四種效應(yīng)同時(shí)發(fā)生,并且取決于處理?xiàng)l件和反應(yīng)器的設(shè)計(jì),這些效應(yīng)中的一種或多種可能占據(jù)主導(dǎo)地位。等離子體處理襯底表面可以改變襯底表面化學(xué)性質(zhì),引入活性官能團(tuán),如羧基、氨基、甲基和羥基。
等離子體在空間上是中性的,即在給定的體積內(nèi)正電荷和負(fù)電荷的數(shù)目相等。然而,離電極或材料表面最近的離子能夠被鞘層電壓加速到電子伏能量的10%。在等離子體處理過(guò)程中,這些加速離子會(huì)導(dǎo)致材料表面的化學(xué)鍵斷裂,并在其表面產(chǎn)生許多自由基。輝光放電通過(guò)電子轟擊和光化學(xué)過(guò)程使分子離解,在產(chǎn)生高密度的氣相自由基方面非常有效。并且自由基也可以存在于電子激發(fā)態(tài),這種激發(fā)態(tài)攜帶的能量要比基態(tài)自由基多得多。氧自由基的最低激發(fā)態(tài)是基態(tài)以上220Kcal/mole,這足以破壞任何有機(jī)鍵。
當(dāng)這些氣相自由基(或離子)撞擊材料表面時(shí),它們有足夠的能量來(lái)破壞該表面的鍵,這導(dǎo)致其表面污染物的分解。這些污染物可以在等離子體中進(jìn)一步反應(yīng),形成可揮發(fā)性物質(zhì),被真空系統(tǒng)除去。例如利用等離子體作用于金屬、玻璃和陶瓷表面,能夠使其表面得到清潔,因?yàn)榈入x子體通常是含氧的,能將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化成CO、CO2和H2O;對(duì)于光學(xué)元器件,尤其是腔內(nèi)激光元器件,有時(shí)會(huì)利用等離子體清洗,以消除降低其性能的污染物。另外,這種處理方法會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物表面逐漸消融,并在有機(jī)物表面形成殘留的自由基。它們既可以與自身反應(yīng)產(chǎn)生表面的交聯(lián),也可以與等離子體氣體甚至基態(tài)分子反應(yīng),在表面形成新的化學(xué)形態(tài)。
利用等離子體表面處理襯底表面可以改變襯底表面化學(xué)性質(zhì),引入活性官能團(tuán),如羧基、氨基、甲基和羥基。等離子體活化襯底表面的效率可通過(guò)工藝參數(shù)(壓力、時(shí)間等)的調(diào)整和等離子體氣體(N2、CO2等)的選擇進(jìn)行控制。等離子體活化處理作為干法活化方法,不引入化學(xué)物質(zhì)且對(duì)襯底表面?zhèn)^小。
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