KRI 离子源用于清洁聚合物表面时, 如何选择应用的气体

对金属和耐火复合材料表面的清洗, 如果处理得当, 可以去除物理吸附的污染物, 对被清洗表面的不利影响很小. 然而, 对聚合物表面的类似清洗可如增加表面电导率、改善医用植入物的生物相容性或使应用于该表面的薄膜的化学结合成为可能等效果.

与金属或常见难熔化合物相比, 聚合物中的原子键变化更大. 从大多数聚合物有限的温度能力可以看出这些键很弱.

多元素和相对弱键导致的过程比金属和难熔化合物要复杂得多. 暴露出具有不同键合能力的不同元素被称为功能化、激活或产生自由基或悬垂键.

下面我们简单介绍 KRI 离子源用于清洁表面时, 如何选择应用的最佳气体, 使用不同气体对聚合物基质的影响.

氩

在一定的离子能量范围内研究了氩离子对聚合物基质的影响. 在不同的能量下, 效果通常是相似的, 但是影响层的厚度和伤害率都随着能量的增加而增加. 这一观察结果是由溅射产物在一定能量范围内的相似性所显示的, 许多产物是小的原子团簇(例如, C2H2). 此外, 在高能条件下有利于形成非晶态石墨层. 为了获得良好的附着力, 主要目标是激活薄的表面层, 使其对层下的大块材料的损害最小, 这意味着离子能量小于100 eV. 然而, 高能量效应的一般相似性表明, 高能量研究可以扩展对<100 eV范围的理解.

随着 Ar+剂量的增加, x射线光电子能谱最常见的观察结果是 C=O键的减少和表面附近非晶态石墨化碳的增加. 溅射产率往往很高——硝基纤维素在100 eV时可高达 30. 在被激活的聚合物表面沉积的Ti薄膜的界面附近检测 TiC表明了活性炭位点在粘附中的重要性. 表面活化的最佳剂量是足以获得大部分或全部所需特性或结构的剂量. (这与最佳清洗剂量的定义是一致的, 除了所需的特性可以是洁净度以外的. )在<100 eV时, 还没有优化的实验数据, 但在 500 eV和2kev下的研究都给出了几个优化值, 这些优化值在标准清洗剂量 1015 ions/cm²的两倍范围内.

这些优化是基于表面碳键的可用性或沉积在该表面的膜的实验附着力.

在不知道所需离子剂量的情况下, 可以尝试清洗聚合物. 在这种情况下, 后来的计算有时显示清洗剂量为每平方厘米1015个离子的100倍或更多. 如此大量的清洁剂量可导致低发射率碳的积累, 同时清除通常是气态产物, 如 H、O和n. 活化碳结合位点往往是可取的, 但用石墨层覆盖表面很少有用.

氧气

在一定的离子能量范围内, 研究了将氧与聚合物基质结合使用的效果. 溅射的产物一般与氩相似, 乙炔(C2H2)同样重要. 在<100 eV时, 溅射产率是不可得的, 但在500 eV和1kev时的氧值大约比氩气时大10倍. 含氧溅射产额的大幅增加表明溅射过程中存在大量的活性成分, 该活性成分在<100 eV时可能仍然存在. 氧在<100 eV时的高溅射产率反过来表明1015 ions/cm² 的剂量应该是足够的.

与氩相比, 需要更高的离子能量来形成含氧的碳质层. 除了离子束特性外, 碳质层的形成可能还取决于氧的背景压力. 模拟氧蚀刻过程表明, 如果氧足够, 接近统一覆盖的蚀刻表面氧, 这种覆盖在x射线光电子能谱中并不明显, 但是x射线光电子能谱在最上面几层上的平均可以掩盖这种效果.

氮

一项使用 60-100 eV氮离子处理聚丙烯表面的研究表明, 最佳剂量接近 1015 ions/cm².

这种处理使表面氮/碳比约为 0.11. 在 60-100 eV范围内也存在能量变化的影响, 但这种变化的部分原因可能是由于聚合物缺乏均匀性.

现有资料表明, 聚合物的清洁/活化剂量需要保持在 1015 ions/cm² (1.6×10-4 C/cm²)附近, 可能不超过该值的两倍. 有限的数据和最小化聚合物表面下损伤的合理目标都表明离子能量应该小于 100 eV. 由于活化效应的范围很广, 可能必须通过实验来确定一种新应用的最佳气体.

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