原创 微流控芯片中等离子清洗机改性原理

等离子清洗机的基本结构大致相同,一般由真空室、真空泵、高频电源、电极、气体导入系统、工件传送系统和控制系统等部分组成。可以通过选用不同种类的气体和调整装置的特征参数等方法满足不同的清洗用途和要求,使工艺流程实现最佳化。

等离子体清洗方式主要分为物理清洗和化学清洗。物理清洗的原理是,由射频电源电离气体产生等离子体具有很高的能量等离子体通过物理作用轰击金属表面,使金属表面的污染物从金属表面脱落。化学清洗的原理是,活性粒子与材料表面的有机物分子结合在一起形成新的不稳定基团,最终分解成具有挥发性的气体和水离开材料表面。

等离子清洗机改性原理

表1-2给出了几种典型的聚合物化学键解离能。由表1-3中等离子清洗机放电产生的粒子能量可知.辉光放电中电子轰击能量不高于20eV,高于聚合物中常见的化学键能,因此等离子体具有足够的能量引起聚合物表面各种化学键的断裂或重组,实现改性。

等离子体中粒子与材料表面相互作用的示意图如图1.3所示。等离子体与材料相互接触,一方面将自身能量传给材料表面分子,一方面对材料表面进行刻蚀,表面吸附的气体或其他物质的分子会发生解吸附;一部分粒子可能发生自溅射,特别是一些电子、亚稳态粒子会贯穿到材料内部;材料表面分子受到撞击后,电子层在激发的作用下发生跃迁,浅表层的电子因溅射和辐射作用也可能逃逸到材料表面以上的空间。

图1.4 等离子体中粒子与材料表面相互作用示意图

等离子清洗机改性是利用等离子体轰击材料表面,其中高速运动的电子与放电腔中的气体分子、原子发生碰撞,这些分子和原子能量增大,会激发产生新的离子、电子、亚稳态粒子或生成自由基,产生各种不同活性粒子,如果活性粒子的能量大于材料表面分子的键能,就能将材料表面分子间的化学键打开,生成自由基,分子键甚至发生断裂和分解。

在对聚合物材料利用等离子体表面改性时,当利用非反应气体(如氩气、氢气等)放电对材料表面改性时,理论上气体不参与表面反应,只是把能量传给表面分子,活化生成链自由基,然后相互反应生成表面交联层。若是反应型气体(如氮气、氧气等)放电等离子体对材料表面改性时,则氧气可以在高分子材料表面引入大量的含氧官能团,如羧基、羟基、羰基等，使得表面发生化学反应,从而达到改性目的。此外,在等离子体表面改性过程中,由于离子碰撞材料表面的刻蚀作用,在材料表面会形成凹凸状的凸起。溅射产生的物质受到等离子体的激励,在表面上逆向扩散,形成大量突出物,材料表面形貌发生改变。

一般认为,在经过等离子清洗机改性后,材料表面主要表现4种物理化学变化:

(1)生成自由基:活性粒子撞击材料表面,表面分子化学键打开,产生大分子的自由基团,使材料表面具有活性;

(2)表面刻蚀:等离子体中高能粒子不断轰击材料表面,一是大量的电子离子等活性粒子撞击材料表面引起了溅射侵蚀二是等离子体中的活性种粒子对材料表面的化学侵蚀,从而使材料表面变得粗糙:

(3)引入极性基团:表面的自由基与等离子体放电区域的氧、氮等活性粒子结合从而引入了一些极性基团.具有较强的反应活性:

(4)表面交联:表面的部分自由基相互发生反应,在材料表面生成一种致密的交联层,使表面层得以强化。

在等离子体与材料的作用中,各种粒子的密度、能量都是关键的参数。一旦等离子体本身的特性发生变化,化学平衡状态被改变,则其中的电子、离子、活性基团等各种粒子密度、能量等均随之而改变,直接影响到等离子体与材料表面的相互作用,造成被处理材料性能和表面特征上的差异。

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