Vytváření tenkých vrstev a úprava povrchů ve výbojích za atmosférického tlaku

Mgr. Martin Šíra, Ph.D.

Doctoral thesis

Deposition of thin films and surface modification in discharges at atmospheric pressure

Abstract:

Úprava povrchů materiálů, ať už jejich přímou změnou nebo vytvořením tenké vrstvy, je rozsáhlou oblastí moderního průmyslu. K některým úpravám se používá nízkotlaké plazma, které je ovšem nevhodné pro použití v pásové výrobě. Proto se tato práce zabývá použitím homogenního bariérového výboje za atmosférického tlaku pro aktivaci polymerů a depozici tenkých vrstev. Polymery mají velkou nevýhodu v poměrně nízké povrchové energii, a tudíž je obtížné je lepit a barvit. Byly zkoumány možnosti úpravy povrchů u tří polymerů: polyetylénu, polypropylénu a polykarbonátu. Byla měřena volná povrchová energie před a po aplikaci výboje v dusíku a směsi dusíku s vodíkem nebo čpavkem v závislosti na výkonu dodávaného přímo do plazmatu. Stabilita opracování byla měřena v rozsahu až 30 dní. Také byla zkoumána změna chemického složení povrchu polymerů. Výsledky byly porovnány s ostatními výboji a výsledky ostatních pracovišť. Tvorba ochranných vrstev je dominantou nízkotlakého plazmatu. Přesto byla zkoumána možnost použití atmosférického výboje k vytvoření tvrdých, průhledných ochranných vrstev. Byly vytvořeny tenké vrstvy z monomeru hexamethyldisiloxanu na skleněný a křemíkový substrát v dusíkovém plazmatu. Byla zkoumána výsledná tvrdost vrstev v závislosti na teplotě substrátu během depozice a chemické složení vytvořených vrstev. Byla provedena optimalizace aparatury za účelem depozice homogenních vrstev. Výsledky této části práce byly použity při návrhu nové depoziční aparatury.

Abstract:

Modification of surface properties e.g. by direct change of the surface or by deposition of thin film is a large branch of a modern industry. Low pressure plasma processes are used for some surface modification, although it is not suitable for in-line processing. Therefore the presented work aims for the application of atmospheric pressure dielectric barrier discharge for surface activation and thin film deposition. The drawback of polymers is low surface free energy, which results in difficult gluing and painting. In presented work the possibilities of surface activation of three polymers (polyethylene, polypropylene, polycarbonate) were investigated. The surface free energy was measured before and after plasma modification. The discharge was burning in nitrogen and nitrogen--hydrogen and nitrogen--ammonia mixtures. The aging of activated polymers was measured up to 30 days. Also the chemical properties of activated polymers was studied. The results was compared with other discharges and results of other studies. The deposition of thin films is dominated by low pressure plasma processes. Although the possibility of the application of atmospheric pressure barrier discharge was studied. The aim was to create thin, transparent and hard protective coatings in nitrogen discharge. Hexamethyldisiloxan was used as a monomer. The dependence of hardness of thin films on the substrate temperature was studied. The chemical composition of deposited coatings was estimated. The deposition chamber was optimized to obtain uniform coating. The results were used to design a new deposition chamber.

Keywords

plazma, homogenní výboj za atmosférického tlaku, tenké vrstvy, aktivace povrchů, plasma, atmospheric pressure glow discharge, thin films, surface modification

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 5. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 1. 7. 2009
• Supervisor: prof. RNDr. David Trunec, CSc.
• Reader: prof. RNDr. Milan Tichý, DrSc., prof. Ing. Luděk Aubrecht, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Plasma Physics