双源激励大气压等离子体制备超疏水薄膜研究

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大气压低温等离子体具有气体温度低,物化活性高的特点,同时无需真空条件,在材料表面改性方面有着广阔的应用前景,例如制备超疏水/疏油、超亲水表面等。然而,在大气压下实现材料表面的均匀处理,对等离子体源的稳定性及均匀性提出了苛刻要求,后者也是当前实现大面积等离子体材料表面改性的关键难题。围绕该研究难点,本文自主设计了一种新型的大气压等离子体材料表面处理装置,通过耦合两个驱动电源,能够显著提高开放环境中氩气介质阻挡放电的稳定性与均匀性,并将其应用于薄膜沉积,在玻璃样品上制备出均匀的超疏水表面。本文的主要研究内容如下:设计了一种三电极双电源驱动的等离子体发生装置,中间为接地极,上方射频电源和下方脉冲电源共地,各自为独立回路,显著减小了电源间的相互影响;下方脉冲放电能够有效降低上方射频放电的起始电压,使得射频放电更易产生;同时,射频放电产生的能量粒子(种子电子、亚稳态等)使得下方脉冲放电更加稳定与均匀,适用于表面处理及薄膜沉积。采用六甲基二硅氮烷(HMDSN)作为前驱单体,辐射光谱测量表明单体裂解主要发生在射频放电区域,产生的CH、Si H等分子进入下方均匀脉冲放电区域,聚合沉积至玻璃基底上形成低表面能薄膜。结果显示,双电源协同放电制备的薄膜的均匀性和疏水性均优于单独使用其中任一电源的情况,静态接触角可达170度;同时发现,射频/正脉冲双源协同放电制备的薄膜显现均匀斑点图案,而射频/负脉冲双源协同放电成膜均匀(无图案)。结合高速放电图像观测以及薄膜物化分析,发现以上图案化与非图案化薄膜形成的根本原因在于正、负脉冲放电的形态不同,正极性脉冲放电显现“柱状弥散”形态,而负极性脉冲放电为“整体弥散”形态;射频放电产生的单体裂解分子在下方脉冲放电区域作用下更易发生链式反应,包括进一步裂解及聚合等,对应脉冲放电的形态发生沉积过程,形成均匀的图案化或非图案化超疏水薄膜。本工作不仅创新性的为大面积均匀化等离子体表面处理提供了实践思路,同时为特殊图案化或均匀的功能性薄膜气相沉积奠定了实验与理论基础。
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