Модификация поверхности кремнийорганического полимера металлами методом магнетронного напыления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модификация поверхности кремнийорганического полимера металлами методом магнетронного напыления

Плазменная модификация полимеров [1, 2] является универсальным подходом, позволяющим создавать структуры с принципиально новыми свойствами - механическими, магнитными, оптическими, антибактериальными др., что делает их перспективными в различных областях науки и техники - в радиоэлектронике, акустике, медицине. При этом обычно используют пленки таких полимеров, как полистирол, полиэтилен, политетрафторэтилен, акриловые полимеры [3, 4]; публикации по плазменной модификации пленок кремнийорганических полимеров металлами практически отсутствуют. Вместе с тем, кремнийорганические полимеры в силу ряда специфических свойств, таких, как повышенные термо- и огнестойкость, в ряде случаев биосовместимость, биодеградируемость, могут служить оптимальной полимерной основой для их плазменной модификации металлами [5-7], в частности методом магнетронного напыления.

R- основная цепь полимера,

X- CH₃-группа.

В настоящем сообщении представлены предварительные результаты модификации металлами пленок кремнийорганического полимера, содержащего в основной цепи специальные фрагменты (пространственные синтоны) - полости объемом около 0,125 нм³, которые могут влиять на зародышеобразование при росте металлодоменов в 3D-размерности. Использованы традиционные пленки, полученные методом полива из раствора на стеклянную подложку смеси кремнийорганических олигомеров, включающей винилсодержащий полидиметилсилоксан, олигосилоксан, содержащий SiH-группы, с последующим их отверждением по реакции гидросилилирования [6],толщина пленок - порядка 20 мкм. Общий вид фрагмента показан ниже:

Для модификации таких пленок был выбран метод магнетронного напыления, как обеспечивающий низкую температуру полимерной подложки и высокую скорость формирования металлопленки.

Применяли такие металлы, как вольфрам вследствие его твердости, тугоплавкости и медь, ввиду ее высокой электропроводности и доступности.

Сочетание кремнийорганического полимера и данных металлов может привести к получению послойных структур полимер/металл с синергетическими свойствами, которые могут быть полезны при формировании материалов для радио- и оптоэлектроники, акустики.

Магнетронное напыление металлов проводили в импульсном и стационарном режимах, при этом время напыления составляло 1-5 мин и 1-10 импульсов для вольфрама и 1-15 мин и 1-100 импульсов в случае меди.

Для изучения свойств полученных структур применяли методы малоуглового рентгеновского рассеяния и атомно-силовой микроскопии (АСМ).

Кривая малоуглового рентгеновского рассеяния исходной полимерной пленки практически не отличается от аналогичной кривой той же пленки после напыления вольфрама, независимо от времени воздействия (рис. 1), что может указывать на наличие гладкой и однородной поверхности.

Широкий малоинтенсивный пик в области S=0,6-1,1 A^-1 может быть полезен при рассмотрении упаковки полимерных цепей.

Рис. 1. Кривые малоуглового рентгеновского рассеяния: исходной полимерной пленки (а) и той же пленки после модификации вольфрамом (б)

Для пленок того же полимера, модифицированных медью, метод малоуглового рентгеновского рассеяния показал наличие одной или двух фракций сферических частиц (табл. 1).

Таблица 1. Свойства образцов, модифицированных медью

*Рассчитана на основе АСМ-данных на участке 5*5 мкм.

Как видно из табл. 1, при увеличении времени напыления в импульсном режиме размеры частиц большей объемной доли повышаются, размеры частиц меньшей доли - снижаются. Дальнейшее увеличение времени воздействия в импульсном режиме приводит к образованию частиц одного размера (порядка 10 нм).

Методом АСМ установлено, что исходная полимерная пленка имеет зернистую структуру (размер зерна - 100-200 нм) (рис. 2а).

На поверхности полимерной пленки, модифицированной медью (время напыления 2 имп) наблюдаются борозды и извилины длиной до нескольких десятков микрон и толщиной 1-3 мкм, включающие извилины меньшей длины (1-2 мкм) и толщины (0,3-0,4 мкм) (рис. 2б).

аб

вг

д

Рис. 2. АСМ-изображения поверхности полимерной пленки, модифицированной медью (масштаб 10*10 мкм): а - исходная полимерная пленка, б - время напыления - 2 имп, в - 5 имп, г - 100 имп, д - 15 мин

Увеличение времени напыления до 5 имп приводит к образованию чешуек, близких по форме к прямоугольным, размером до 5 мкм, которые могут выстраиваться в цепочки длиной до нескольких десятков микрон. Чешуйки, в свою очередь, включают извилины длиной до 4-5 мкм и толщиной 1-2 мкм (рис. 2в) .

При дальнейшем увеличении времени напыления до 100 имп на поверхности полимерной пленки формируется плотная «корка». Такой образец обладает зернистой структурой, зерна имеют продолговатую форму, размеры - 10-20 мкм. Данные зерна включают более мелкие (0,5-1,5 мкм) такой же формы (рис. 2г).

На поверхности образца, полученного в стационарном режиме наблюдаются четырехугольные чешуйки размером 5-10 мкм, которые также могут образовывать цепочки длиной до нескольких десятков микрон. Чешуйки включают зерна размером от 0,2 до 1 мкм (рис. 2д). Также установлено, что шероховатость поверхности образцов уменьшается с увеличением времени напыления в импульсном режиме, табл. 1.

Таким образом, структура образцов, модифицированных медью, зависит от времени и режимов магнетронного напыления, в то время как для образцов, содержащих вольфрам во всех случаях наблюдается гладкая и однородная металлопленка. Можно предположить, что на структуру металлослоя на одинаковой полимерной подложке в значительной степени оказывает влияние химическая природа металла.

Литература

пленка металл кремнийорганический полимер

1. Vladimirov S.V., Ostrikov K. Self-Organization and Dynamics of Nanoparticles in Chemically Active Plasmas for Low-Temperature Deposition of Silicon and Carbon-Based Nanostructured Films // Plasmas Polym. -- 2003. Vol. 8, N 2 -- P. 135-152.

2. Кутепов А.М., Захаров А.Г. Максимов А.И., Вакуумно-плазменное и плазменно-растворное модифицирование полимерных материалов. -- М.: Наука, 2004. -- 496 с.

3. Bebin P., Prud'homme R. E. Comparative XPS Study of Copper, Nickel, and Aluminum Coatings on Polymer Surfaces // Chem. Mater. -- 2003. Vol. 15. -- P. 965 - 973.

4. Svorcнk V., Kotбl V., Slepicka P., Blбhovб O., Sutta P., Hnatowicz V. Gold coating of polyethylene modified by argon plasma discharge // Polymer Eng. & Sci. -- 2006. Vol. 46, N 9 -- P. 1326 -- 1332.

5. McIntyre E. C., Oh H. J., Green P. F. Electrorheological Phenomena in Polyhedral Silsesquioxane Case Structure/ PDMS systems // ACS Appl. Mater. Interfaces.- 2010. Vol. 2. - P. 965-968.

6. Cordes D. B., Lickiss P. D., Rataboul F. Recent Developments in the Chemistry of Cubic Polyhedral Oligosilsesquioxanes // Chem. Rev.- 2010. Vol. 110.- P. 2081-2173.

7. H. W. Brandhorst, M. J. O'Neill, J. D.Lichtenhan A Silicone/POSS Coating for Thin Film Solar Cells and Concentrators // NASA/CP.- 2005. P. 290-293.

Размещено на Allbest.ru