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四氟化碳(CF4)等离子体表面活化法处理聚酰亚胺薄膜

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-10-18
等离子体表面活化法就是在非聚合性无机气体环境下利用低温等离子体技术在材料表面(几十到数千埃范围内)生成活性基团的方法。通过对聚酰亚胺的表面活化,打破聚酰亚胺分子机构并引入含氟基团,以达到降低材料介电常数和介电损耗的目的。

处于等离子体气氛中的聚酰亚胺表面由于受到紫外辐照以及各种活性粒子如自由基、激发态活性分子、原子、离子和电子的冲击,能够有效地使其表面层中产生大量自由基,只需要短时间接触,这种作用就很明显。生成的自由基可与反应器中的被等离子降解的四氟化碳形成含氟基团,如—CF3、—CF2、—CF、—F等,从而达到降低介电常数和介电损耗的目的。

等离子体与材料表面的作用机理相当复杂。当存在外界激励时,等离子体内的电子得以不断加速。在提升其自身能量的同时,通过相互间的碰撞将能量转化或转移。当等离子体高能电子撞击材料表面时,将自身的能量传递给表层分子,使材料发生热蚀、蒸发、交联、降解、氧化等复杂的物理化学反应,从而改变材料的表面化学组成和性质。

根据等离子体表面活化处理的类型,等离子体与高聚物的化学反应原理可分成非反应型等离子体和反应型等离子体。

1. 非反应型等离子体作用机理氢气、氩气等惰性气体等离子体和高聚物材料接触,理论上是不参与表面的任何反应,高能粒子只是将能量转移给表层分子,使材料表面产生大量自由基,相邻高分子自由基能进行相互反应生成表面交联层,也可能脱氢或脱去其他原子而形成双键,或者与等离子体中活性种反应生成一系列新的官能团。

2. 反应型等离子体反应机理反应型等离子体在气相中不发生聚合反应,但参与表面上的化学反应,表面的化学组成也发生相应的变化,同时引入大量特定的官能基团,得到与基材表面原来特性不同的表面状态。如氧气、氮气、空气、二氧化碳等均为反应型气体,这些反应型气体首先经等离子体化生成的活性种,高聚物材料本身受到等离子体产生的紫外光激发,也能生成活性基团。这样,反应气体的等离子体与高聚物发生一系列反应,从而改变高聚物材料表面物理化学性质。

采用反应性气体四氟化碳(CF4)来对聚酰亚胺薄膜进行改性,其与聚酰亚胺薄膜反应如下:

1) 等离子体化
CF4等离子处理
2) 与四氟化碳等离子体反应
四氟化碳等离子体化生成了许多活性基团,例如—CF3、—CF2、—CF、—F等。这些活性基团具有很高的化学活性,同时聚酰亚胺分子受等离子激发,一些化学键被打破,从而四氟化碳等离子体得以引入材料表面。

使用四氟化碳气体(CF4)等离子处理聚酰亚胺薄膜,可以将含氟基团引入薄膜表面。通过处理前后接触角的改变以及XPS测量聚酰亚胺薄膜表面元素组成等手段,我们看到了有含氟基团已成功引入到了聚酰亚胺薄膜上。但是由于等离子体处理是一种表面处理方式,其改性区域仅涉及材料100nm以内极薄的一层,因此,其对产品整体化学结构和性质未产生显著影响。

尽管含氟基团的引入仅存在于聚酰亚胺薄膜表面,但是就是这些微量的氟元素也可以一定程度上降低聚酰亚胺薄膜材料的电子和离子的极化率。从介电常数和介电损耗的结果看,聚酰亚胺薄膜的介电常数和介电损耗在低频区域显著的降低。然而,我们也应该看到等离子体处理对聚酰亚胺薄膜在高频区域的改变不大,这也是由于等离子体处理本身的特性所决定的。和传统方法相比,等离子体处理具有操作简单,并且快速和高效的特点,同时,又不会改变材料原本的结构和机械特性。

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