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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001686-5

Plasma Modification of Polydimethylsiloxane in a hydrogen CCRF low-pressure discharge

  • The development of innovative coatings with multifunctional properties is an ambitious task in modification of material surfaces. A novel approach is a hybrid method combining the non-thermal plasma processing with nanotechnology for the development of multifunctional surface coatings. The conception of the hybrid coating process is based on three steps: the preparation of a suspension consisting of an organic liquid and functional nanoparticles, the deposition of the suspension as a thin liquid film on the material surface, and the plasma modification of the liquid organic film to achieve a thin solid composite film with embedded nanoparticles demonstrating multifunctional properties and good adherence on the substrate material. In this work the liquid polydimethylsiloxane (PDMS) was applied as a model system, and the experimental investigations were focused on the PDMS plasma modification. In particular, the specific role of the different plasma components and the influence of the plasma and processing parameters on the PDMS modification were studied. The applied capacitively coupled radio frequency (CCRF) plasma was analyzed by electric probe measurements and optical emission spectroscopy, whereas the molecular changes in PDMS due to plasma-induced chemical reactions were studied by the Fourier transform infrared reflection absorption spectroscopy. Additionally, the photocatalytic activity of thin composite films consisting of plasma cross-linked PDMS with embedded TiO2 nanoparticles was demonstrated. During the investigation it was found that the CCRF discharge modifies efficiently thin liquid PDMS films to solid coatings. The samples were positioned in the plasma bulk at floating potential. The penetration depth of particles like neutrals, ions, electrons and radicals in the film is strongly limited. The heating of samples in the CCRF discharge is weak to modify PDMS by itself and only the plasma radiation is able to transform the liquid bulk to solid one. It is known that the absorption onset of PDMS lies in the VUV region (below 200 nm). The energetic VUV radiation penetrates into the PDMS film on a thickness from several hundred nanometers to few micrometers and initiates photochemical reactions there. Thus, different gases like Ar, Xe, O2, H2O, air and H2 were tested to provide the strongest VUV emission intensity of the CCRF discharge. Discharge pressure and power were varied for all these gases and it was found that at all conditions the H2 plasma demonstrates drastically stronger emission. Thus, H2 gas was selected for the plasma treatment of liquid PDMS films. The IRRAS analysis revealed the transformation process of PDMS with the degradation of CH3 groups, the formation of new groups like SiOH, CH2 and SiH, the formation of the SiOx material and crosslinking. It was found that the modification effect is not uniform across the film thickness. The top region with an initial thickness up to 100 nm loses all CH3 groups, in the underlying region the CH3 concentration increases gradually from zero to the value for PDMS, if the film was thick enough. The methyl-free SiOx top layer contains also SiOH and SiH groups. Furthermore, the SiH groups are concentrated only in a very thin layer with a thickness below 10 nm. The presence of the unscreened polar SiOSi and SiOH groups on the surface causes the adsorption of H2O from the atmosphere, which was also observed by IRRAS. By means of the spectroscopic ellipsometry it was found out that all above described regions experience a shrinking. The reason is the crosslinking and loss of material. The most shrunken layer is the top SiOx layer with the shrinking ratio (final thickness/initial thickness) of 0.55 - 0.60. Further, this ratio gradually rise up to the value of 0.95 in the deeper region, which has the concentration of CH3 groups of about that for PDMS. After the analysis of all results the depth of effective modification was estimated at 300 400 nm for the most optimal conditions. The optimization of the plasma VUV intensity was realized by variation of discharge pressure and power. The strongest plasma emission at studied conditions provided the irradiance of the sample of ca. 13 mW/cm2. However, such strong radiation causes very strong production rate of the gases. These products leave the modifying film slower as they are produced, what causes their accumulation in there. Their pressure grows up leading to formation of bubbles, which later explode. Finally, the film becomes heavily damaged. To avoid this effect the pressure and the RF power were changed to reduce the irradiance to 6 - 7 mW/cm2. This resulted in the absence of any damages.
  • Die Entwicklung innovativer Beschichtungen mit multifunktionalen Eigenschaften ist eine anspruchsvolle Aufgabe in der Modifikation von Materialoberflächen. Ein neuartiger Ansatz ist ein Hybrid-Verfahren, das die Kombination der nicht-thermische Plasmaverarbeitung mit der Nanotechnologie für die Entwicklung von multifunktionalen Oberflächenbeschichtungen vereint. Die Konzeption des Beschichtungsverfahrens besteht aus drei Schritten: die Herstellung einer Suspension, bestehend aus einer organischen Flüssigkeit und funktionellen Nanopartikeln, die Abscheidung der Suspension als ein dünner Flüssigkeitsfilm auf der Materialoberfläche und die Plasma-Modifizierung der flüssigen organischen Film in eine dünne feste Beschichtung. In dieser Arbeit wurde das flüssige Polydimethylsiloxan (PDMS) als Modellsystem verwendet, und die experimentellen Untersuchungen wurden auf der Plasmamodifizierung von PDMS konzentriert. Insbesondere wurden die spezifische Rolle der verschiedenen Plasmakomponenten und der Einfluss des Plasmas und der Verarbeitungsparameter auf dem PDMS - Modifikation untersucht. Die angelegte kapazitiv gekoppelte Hochfrequenz (CCRF) Entladung wurde durch elektrische Langmuir-Sonde Messungen und die optische Emissionsspektroskopie analysiert. Die molekularen Veränderungen in PDMS durch plasmainduzierte chemische Reaktionen wurden mittels Infrarot-Reflexion-Absorptions-Spektroskopie untersucht. Die Eindringtiefe der neutrale Partikeln, Ionen, Elektronen und Radikalen im Film ist stark begrenzt. Es ist bekannt, daß die starke Absorption der PDMS liegt im VUV- Bereich (unterhalb 200 nm). Die energetische VUV-Strahlung dringt in die PDMS-Film auf eine Dicke von mehreren hundert Nanometern bis zu einigen Mikrometern ein und initiiert photochemische Reaktionen. Somit wurden verschiedene Gase wie Ar, Xe, O2, H2O, die Luft und H2 getestet, um die stärkste VUV Emissionsintensität der CCRF Entladung bereitzustellen. Der Druck und die HF-Leistung wurden für alle diese Gase variiert, und es wurde festgestellt, dass bei allen Bedingungen das H2-Plasma die stärkste Emission demonstriert. Somit wurde H2 für die Plasmabehandlung der flüssigen PDMS Filmen ausgewählt. Die IRRAS Analyse zeigte die Transformation von PDMS mit dem Abbau der CH3-Gruppen, die Bildung neuer Gruppen wie SiOH, CH2 und SiH, die Bildung von SiOx - Material. Es wurde gefunden, dass die Modifikation nicht gleichmäßig über die Filmdicke ist. Der obere Bereich mit einer Anfangsdicke von bis zu 100 nm verliert alle CH3-Gruppen, im darunterliegenden Bereich die Konzentration von CH3-Gruppen steigt graduell. Die SiOx Schicht oberste Schicht enthält auch SiOH und SiH-Gruppen. Weiterhin werden die SiH-Gruppen nur in einer sehr dünnen Schicht mit der Dicke unter 10 nm konzentriert. Die Anwesenheit der polaren SiOSi- und SiOH-Gruppen auf der Oberfläche bewirkt die Adsorption von H2O Molekülen aus der Atmosphäre. Mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie wurde festgestellt, dass alle oben beschriebenen Bereiche sich schrumpfen. Der Grund dafür ist die Vernetzung und der Verlust von Material. Die meist geschrumpfte Schicht ist die oberste SiOx Schicht, unter der SiOx Schicht die Schichtschrumpfung der Beschichtung bekommt graduell kleiner. Nach der Analyse aller Ergebnisse der Tiefe der wirksamen Modifikation wurde als 300 - 400 nm für die optimalen Bedingungen bestimmt. Die Optimierung der Plasma VUV Intensität wurde durch die Variation der Druck und des Stroms realisiert. Die größte Bestrahlungsstärke der Proben wurde als ca. 13 mW/cm2 bestimmt. Solche starke Strahlung verursacht jedoch sehr starke Produktionsrate der Gase in der Beschichtung. Diese Produkte verlassen ein modifizierender Film langsamer als sie produziert sind, was zu ihrer Akkumulation im Film. Der Druck dieser Gase wächst, und das führt zur Bildung von Blasen. Schließlich bekommt die Beschichtung stark beschädigt. Der Druck und die HF-Leistung wurden geändert, um die Bestrahlungsstärke 6 - 7 mW/cm2 reduzieren und diesen Effekt zu vermeiden. Dies führte zu der Abwesenheit von Schäden.

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Metadaten
Author: Vladimir Danilov
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001686-5
Title Additional (German):Plasmamodifizierung von Polydimethylsiloxan in einer CCRF-Niederdruckentladung in Wasserstoff
Advisor:Prof. Dr. Jürgen Meichsner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2014/02/04
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/01/16
Release Date:2014/02/04
Tag:Nanokompositschichten, Polydimethylsiloxan, VUV-Strahlung
GND Keyword:Dünne Schichten, FT-IR-Spektroskopie, Hochfrequenzentladung, Plasmaphysik
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik