等离子体技术制备高阻隔薄膜作用方式和应用现状（二）

近年来，在食品和药品包装、可穿戴有机电子封装、有机发光二极管（OLED）和量子点封装、真空绝缘板密封、生物医学和可再生能源防护等方面，以柔性塑料为基体的阻湿、阻氧、高透明的薄膜得到了广泛的应用，促进了阻隔膜制备技术的发展。等离子体技术在阻隔膜制备中显示出独特的优势，包括：可以大规模生产制备阻隔膜、薄膜性能优异、产品成本低廉等。这些等离子体技术包括等离子体增强物理气相沉积（PEPVD）、等离子体增强/辅助化学气相沉积（PECVD/PACVD）和等离子体增强/辅助原子层沉积（PEALD/PAALD）技术等。综述了基于等离子体技术制备阻隔膜的方法和理论，主要介绍等离子体源、等离子体作用方式、等离子体诊断和等离子体增强沉积阻隔膜的生长机制，以阐明等离子体参数和阻隔膜制备及性能之间的内在联系，为阻隔薄膜乃至类似柔性功能材料的制备和应用提出指导性建议。     

Atmospheric Pressure Radio Frequency Dielectric Barrier Discharges in Nitrogen/Argon

This work reports the experimental results on the characteristics of radio frequency dielectric barrier N2 /Ar discharges.Depending on the nitrogen content in the feed gas and the input power,the discharge can operate in two diferent modes: a homogeneous glow discharge and a constricted discharge.With increasing input power,the number of discharge columns increases.The discharge columns have starlike structures and exhibit symmetric self-organized arrangement.Optical emission spectroscopy was performed to estimate the plasma temperature.Spatially resolved gas temperature measurements,determined from NO emission rotational spectroscopy were taken across the 4.4 mm gap filled by the discharge.Gas temperature in the middle of the gas gap is lower than that close to the electrodes.     

电子回旋共振等离子体辅助脉冲式沉积氧化铝薄膜的研究

采用自行设计和加工的微波电子回旋共振装置、进气系统和工艺程序,以三甲基铝为前躯体,氧气为氧化剂,HF处理过的单晶硅片为基片,在无任何外加热条件下进行原子层沉积氧化铝薄膜的实验研究。利用X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜、高分辨率透射电子显微镜等分析手段对薄膜进行了化学成分和微观结构的表征。结果表明,制备的氧化铝薄膜为非晶态结构,薄膜的表面非常光滑平整。薄膜的截面微观结构图像显示,薄膜厚度大约为80nm,界面清晰、按照周期数和层数线形生长规律进行生长。     

Recent progress on non-thermal plasma technology for high barrier layer fabrication

This review describes the application of non-thermal plasma (NTP) technology for high barrier layer fabrication in packaging area.NTP technology is considered to be the most prospective approaches for the barrier layer fabrication over the past decades due to unpollution,high speed,low-costing.The applications of NTP technology have achieved numerous exciting results in high barrier packaging area.Now it seemly demands a detailed review to summarize the past works and direct the future developments.This review focuses on the different NTP resources applied in the high barrier area,the role of plasma surface modification on packaging film surface properties,and the deposition of different barrier coatings based on NTP technology.In particular,this review emphasizes the cutting-edge technologies of NTP on interlayer deposition with organic,inorganic for multilayer barriers fabrication.The future prospects of NTP technology in high barrier film areas are also described.     

SiO_xN_y薄膜结构对气体阻隔性的影响

摘译在聚合物表面沉积一层薄膜可以有效阻止氧气和水蒸气的渗透,目前比较常用的阻隔膜为氧化铝薄膜和氧化硅薄膜。氧化铝薄膜具有很好的气体阻隔性能,被广泛应用于食品包装;氧化硅薄膜也是比较流行的透明包装阻隔材料。近年来随着包装业的发展,对包装品阻隔性的要求越来越高,如要求更长的货架期。然而,目前所应用的氧化物阻隔膜已很难达到这一更高的要求。经研究发现,相对于氧化硅薄膜,类金刚石(DLC)是非常有前景的阻隔材料,特别是氮氧化硅(SiO_xN_y)薄膜,可以提供更高的阻隔性能。     

等离子体辅助原子层沉积氧化铝薄膜的研究

为在室温条件下进行氧化铝薄膜的原子层沉积,自行设计了一套微波回旋共振等离子体辅助原子层沉积装置,以三甲基铝作为铝源前躯体,氧气作为氧化剂,在室温下于氢氟酸溶液中处理过的单晶硅基片上进行了氧化铝薄膜的沉积。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、高分辨率透射电子显微镜、X-ray射线衍射、X-ray射线光电子能谱等分析手段测试了薄膜的表面形貌和成分,结果表明制备的氧化铝薄膜为非晶态结构,铝、氧元素含量配比接近2/3,同时薄膜表面非常光滑平整而且致密,表面粗糙度<0.4nm。通过高分辨率透射电子显微镜的截面图,可以估算出薄膜厚度约为80nm,界面非常清晰、平整,薄膜质量较高,沉积速率为0.27nm/周期,沉积速率较热沉积大大提高。     

等离子体处理提高金属镀层与有机基底附着力的研究

利用反应磁控溅射技术在有机玻璃（亚克力板）上完成Al的膜层制备,并进行了膜层表面的光泽度、附着力和耐腐蚀性等研究。实验发现,采用这种技术制备的Al膜具有较高的光泽度。在Al膜上沉积一层氧化硅薄膜可以提高耐腐蚀性但不会对Al膜的光泽度产生影响。但是金属薄膜在有机基材上的附着力较差,大约在6 N左右。为此可以利用Ar、O2等离子体对有机玻璃表面进行清洗,或者在薄膜表面添加过渡层,即在镀膜之前先在基材上镀一层其他材料,然后再镀金属膜。实验发现环氧材料或SiO2作为过渡层,薄膜的附着力有显著提高。但需注意提高耐腐蚀性的同时不能影响薄膜光泽度和附着力。     

射频负偏压对沉积类金刚石薄膜结构和性能的影响

在不同的射频负偏压作用下,利用微波电子回旋共振(ECR)等离子体源化学气相沉积技术在单晶硅表面进行制备类金刚石薄膜研究.利用傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR)和原子力显微镜(ARM)对薄膜的结构成分和形貌进行了分析表征,同时对所制备的薄膜摩擦系数进行了测试.结果表明:所制备的薄膜具有典型的含H类金刚石结构特征,薄膜结构致密均匀、表面粗糙度小.随着负偏压的增大,红外光谱中2800 cm-1～3000 cm-1波段的C-H伸缩振动吸收峰的强度先升高后降低,在射频功率为50 W时达到最大,所对应的薄膜摩擦系数是先降低再升高,在射频功率为50 W时达到最小.     

ECR-RF双功率源等离子体化学气相沉积制备类金刚石薄膜的研究

利用微波ECR加射频功率源等离子体化学气相沉积技术,以CH4为碳源气体,Ar气为稀释气体,在硅片(100)上制备了类金刚石薄膜.Raman光谱证实了薄膜的类金刚石特性;傅立叶变换红外光谱表明薄膜中存在明显的C-H键结构.采用AFM观察了表面形貌,均方根粗糙度大约为1.489nm,表明薄膜表面比较光滑.最后对其进行了摩擦性能测试,薄膜的平均摩擦系数为0.102.