柔性基材的射频等离子体表面改性

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基于柔性基底材料如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等的柔性电子(flexible electronics)技术近年来得到迅猛发展。但是由于高分子薄膜的表面能低,柔性基板表面与导电膜之间的粘结情况会直接影响柔性电子器件的整体质量。目前,最简单的方法就是对其进行表面改性处理。射频等离子体电子密度高,能量大,易于发生或引发相关物理、化学反应,运用射频等离子体对柔性基材进行表面改性,能改善其亲水、粘结等性能的影响,提高其与金属导电膜的结合强度,甚至取代传统上柔性触摸屏和太阳能电池中采用的聚合物导电胶。因此,对柔性基材的射频等离子体改性研究具有重要的实际意义。本文系统地研究了射频容性耦合等离子体(RFCCP)对PET薄膜的表面改性,并对其表面的物理化学变化进行分析表征。接触角、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、剥离试验分析测试结果表明,纯氩等离子体对PET膜表面以离子刻蚀为主,它能对PET膜表面起清洁作用,同时改变膜表面的粗糙度,增加表面积,从而提高亲水性,提升PET膜与Au膜的机械粘结力。而氩/氧混合等离子体由于氧的化学活性,使等离子体化学作用增强,在PET表明产生大量含氧官能团,提高膜表面的极性,并能与金属形成C-O-metal化学键,进一步提高PET膜的亲水性和粘结性能。通过不同氩/氧混合比例等离子体改性实验发现,当氧气含量达到一定程度时,亲水性和与金属的粘结性反而会被削弱。为了探讨等离子体中氧在表面改性中的作用机理,本文利用发射光谱仪及质谱仪诊断结果,发现氧的活性种是氩/氧混合等离子体对PET膜改性的主导粒子,但是氧由于其电负性会吸附大量高能电子,降低等离子体中活性粒子能量,故实验得出优化的氩/氧混合比例10:1,能最大限度地提高PET膜的粘结性能。通过对等离子体放电参数的改变,发现功率较低时,等离子体能量较低,对PET膜表面的处理效果有限。而当处理时间较短时(30s),等离子体并没有充分地对PET膜表面经行处理,而在时间足够长时(150s),等离子体已经充分的对膜表面进行处理,达到了物理化学反应的平衡;根据反应腔体的结构特点,研究了样品放置位置对处理效果的影响,发现在射频—射频极板间处理的PET膜效果要好于相同实验条件下放置在射频—接地极板间处理的PET膜,通过光谱诊断也发现射频—射频极板间等离子体光谱要强于射频—接地极板。本论文将质谱和发射光谱诊断以及放电电极结构与材料表面改性过程相结合,通过对实验结果的综合分析和评价,提出了等离子体对材料表面处理作用机理。为实际应用提供有价值的参考与借鉴。
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