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导读: 本文将对PTFE-like FC薄膜的近期研究成果及其发展趋势作一概述。

氟碳( FC) 薄膜是一种新型含氟碳材料,可以用作低介电常数的介质膜、自润滑低摩擦膜、折射率低色散小的抗反射膜以及紫外强吸收的保护膜等1FC 膜所具有的不同的物理性质是由薄膜内部碳的结合方式和氟、氢的不同含量所导致的, 因此制备FC 薄膜的同时又能控制薄膜的分子结构将更加有意义1 聚四氟乙烯结构氟碳聚合物(PTFE - like FC) 薄膜以- (CF2) n - 链状有序结构为主, 与传统的以交联结构为主的氟碳薄膜相比, PTFE - like FC 薄膜表现出更低的介电常数[1 - 2 ] 和生物相容性[3 ] 等重要特征, 目前在微电子、生物活性涂层和生物相容性涂层等领域都有重要的应用1 近几年, 国外对制备PTFE- like FC 薄膜的研究已成为电学材料的一个研究热点, 而国内对PTFE - like FC 薄膜的研究尚处于起步阶段1 本文将对PTFE - like FC 薄膜的近期研究成果及其发展趋势作一概述

1、国外对PTFE - like FC 薄膜的研究现状1

1.1 PTFE - like FC 薄膜的制备

PTFE - like FC 薄膜的主要组分是CF2 基团,其傅里叶变换红外光谱( FTIR) 中1150~1250cm- 1之间存在明显的CF2 对称和反对称伸缩振动峰, X 射线bet36体育在线网站子能谱(XPS) 分析表明, CF2的含量约为80 %[4 - 6 ] 1美国麻省理工学院(MIT) 的Gleason 研究小组和Rastogi 研究小组, 采用HFCVD 方法, 用六氟环氧丙烷(Hexafluoropropylene oxide , HFPO) 作为前驱气体, 分别制备出极其类似于聚四氟乙烯的薄膜[7 - 9 ]1Gleason 小组指出[8 ] , HFPO 的流速和热丝预处理时间严重影响了HFCVD 方法沉积的氟碳薄膜的结构和形貌1 热丝预处理和增加HF2PO 流速能够减小薄膜的生长速率, 减少氧含量,增加(CF2 ) n 链状结构的长宽比. Rastogi 小组指出[9 ] ,基底温度影响薄膜的形貌和分子结构是因为被吸附的自由基和其他物种的吸附系数不同.在实验中他们还发现,热丝温度≤450 ℃时,沉积的薄膜具有聚四氟乙烯聚合物的(CF2 ) n 链状结构;热丝温度≥600 ℃时,沉积的薄膜具有(CF2 ) n链状结构和m(C:Fx) n 交联结构的混合结构[6 ] 1

美国科罗拉多州立大学的Fisher 研究小组,采用电感耦合HFPO 等离子体沉积氟碳薄膜1 在连续波功率为13 W 时, 线圈下游28 cm 处沉积出高度有序的薄膜, CF2 含量约为80 %[4 ] ; 在同样的位置, 他们使用脉冲放电方法(峰值功率300 W, 占空比5 %) 也沉积出包含很少交联结构和高度有序的氟碳薄膜[5 ] 1 意大利巴里大学的d’Agostino 研究小组, 采用电容耦合八氟环丁烷(C4 F8 ) 等离子体沉积得到聚四氟乙烯结构的氟碳聚合物薄膜1 他们发现, 更低的射频功率会导致更少的交联和更多CF2 富集的薄膜1 在低占空比为5 %、长周期为320 ms 时, 沉积的薄膜较好的保持了单体结构且与聚四氟乙烯非常相似, 此时FPC 比率最高可达119[10 ] 1 他们还发现, 低占空比( ≤7 %) 是形成结晶带式纳米结构(PTFE特征结构) 的决定性因素1 晶带的尺寸和密度影响了薄膜表面的粗糙度, 进而决定了薄膜的一些属性, 特别是这种脉冲放电得到的材料的高疏水性[11 ]

1.2 对PTFE - like FC 薄膜的物性分析

采用上述两种方法制备PTFE - like FC 薄膜,研究者在薄膜特性、反应动力学等方面做了大量的研究工作1 使用HFCVD 方法沉积PTFE - likeFC薄膜, 薄膜表面粗糙度一般明显大于rf -PECVD 方法制备的薄膜1 前者的均方根值(rms)约为50 ±10 nm[9 ] ; 后者则在2~20 nm 之间[5 ,10 ] ,但是随着薄膜厚度的增加, 薄膜表面粗糙度也随之增加, 当薄膜厚度达到微米量级时, rms 可达220 nm[11 ] 1 这可能是由于— (CF2 ) n —在气相中聚合后再沉积生成PTFE - like FC 薄膜, 导致薄膜表面较粗糙的缘故1 日本名古屋大学的Shibagaki 发现, 在C4 F8 等离子体中掺杂少量的H2 (10 %) 能够增加氟碳薄膜表面的光滑度, 且XPS 分析表明, 此时薄膜中主要的化学键为CF21但随着H2 百分比的增加, 薄膜表面变得越来越粗糙, 且主要的化学键由CF2 向C - CFx 转变[12 ] 1PTFE - like FC 薄膜接触角高达120°[2 ,5 ] ,XPS 分析发现, 对比交联结构为主的氟碳薄膜,PTFE- like FC 薄膜表面的CF3 含量更高, 这与Bogart 的研究结果一致[13 ] 1 超低介电常数材料是目前的一个研究热点, 作为理想候选材料之一,PTFE - like FC 薄膜比交联结构为主的氟碳薄膜更具有优势, 原因是大量有序的(CF2 ) n 链状结构能够显著降低薄膜介电常数, 但缺点是过多的有序(CF2 ) n 链状结构会影响到薄膜的热稳定性[6 ] 1 用PECVD 方法沉积PTFE - like FC 薄膜,沉积速率较低, 一般小于20 nmPmin[2 ,5 ,11 ] ; 对比之下, HFCVD 方法沉积速率更快, 约20 ~ 35nmPmin[6 ] 1 采用这两种方法制备PTFE - like FC 薄膜时, 通过改变功率或温度等参数, 提高或降低沉积速率都将会影响薄膜结构, CF2 的含量将降低, 交联结构将会增加.

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