等离子体处理,是一种良好的表面改性方法,广泛应用于各种材料的表面改性。等离子体在1879年由英国物理学家和化学家William Crookes在研究阴极射线的时候发现,是一种兼顾物理方法和化学方法处理的气态技术,具有低能耗、高效率、低污染、清洗效果好等优点在表面处理方面得到广泛的应用。等离子体气体中活性粒子的能量如表1所示、一些化学键的键能如表2所示。等离子体气体中的活性粒子的能量略大于有机膜中常见化学键的键能,因此当有机膜处于等离子体气体中时,等离子体能够使得有机膜发生化学键的断裂和生成,在这个过程中,生成的部分化学键则会使得有机膜变得亲水。

等离子体处理时间对有机膜表面亲水性的影响

经过50W等离子体处理之后的有机膜表面水接触角随时间的变化如图1所示:

图1 有机膜表面接触角测试结果  (a)、(b)、(c) 为有机膜等离子体处理10s、50s、70s 

图1中有机膜经50W等离子体处理10s、50s、70s后,表面水接触角分别为下降为36.458°、14.414°、19.589°;

由图1可知,经过等离子体处理之后的有机膜表面水接触角明显变小。当处理时间在50s内,有机膜表面水接触角变化十分显著,继续增加处理时间会使得有机膜表面水接触角在小范围内变大。这是因为在等离子体处理前期阶段,氧等离子体中的活性粒子与有机膜表面元素发生反应引入亲水基团,并且能清洁有机膜表面的杂质和污垢。过长时间的处理会导致有机膜的过度氧化,使得部分羟基等亲水性基团被破坏,化学结构出现变化,导致亲水性出现小幅度变化。

等离子体处理对有机膜表面形貌的影响

图2为经过不同等离子体功率处理时,得到的有机膜表面AFM形貌图,AFM图像经过平坦化矫正。其中(a)图为未经处理的有机膜A和有机膜B的AFM图,由(a)图可以看出有机膜表面均匀光滑,几乎没有颗粒感,粗糙度约在0.6nm左右。经过50W的等离子体处理之后,两种有机膜的表面粗糙度分别增大为0.78nm和1.12nm,如(b)图所示。随着等离子体处理功率的继续增加,有机膜表面粗糙度也随之逐渐增大。当经过100W、200W等离子体处理之后,有机膜A表面粗糙度分别达到0.92nm和1.76nm,有机膜B表面粗糙度分别达到1.39nm和2.65nm,如(c)图、(d)图所示。这是因为等离子体的激发功率越大,电子和离子等粒子的能量和速度也会相应的增加,这些能量和速度更大的粒子接触到有机膜表面时,加剧了对有机膜表面的轰击效应,对有机膜产生了更剧烈的物理刻蚀,有机膜表面化学键发生断裂导致有机膜表面粗糙度增加。同时高功率的等离子体引发更剧烈的轰击作用,导致衬底表面变得粗糙,进而影响有机膜表面亲水性。

图2 等离子体处理有机膜的表面形貌图  (a) 原始衬底  (b) 50W处理  (c)100W处理  (d)200W处理 

等离子体处理增加有机膜表面亲水性的主要原因如下：等离子体中的自由基和离子与有机膜表面发生一系列物理化学反应,生成羟基的同时去除了表面的附着物,能增加有机膜的亲水性,提高有机膜的化学反应活性,改善有机膜的表面附着性。