مروری بر پاکسازیو عملکردی شدن سطوح پلیمر و فیلرهای نانوکربن با تیمار ازن/ UV
روش های اکسیداسیون خشک کاربرد گسترده ای در اصلاح خواص سطحی بسترهای پلیمری و سرامیکی دارند. در مقایسه با دیگر روش های اکسیداسیون خشک، تیمار با UV/ ازن (UV/O₃) تا به حال به دلیل قدرت اکسیداسیون نسبتآ ضعیف کمتر مورد توجه بوده است. با این حال در شرایط پردازش بهینه، تیمار UV/O₃میتواند اثرات مطلوب تری در تغییرات سطحی به دنبال داشته باشد. ترکیب تقویت ها در مقیاس نانو همچون نانولوله های کربن (CNT) و گرافیت، در یک ماتریس پلیمری کلاس جدیدی از کامپوزیت ها با قابلیت های مکانیکی و عملکردی منحصر به فرد را ایجاد می کند. انجام تیمار سطحی مناسب برای پراکندگی تقویت کننده در ماتریس بسیار ضروری است؛ به دنبال آن، چسبندگی کافی بین آن و ماتریس ایجاد می شود. در این مقاله، مروری بر مکانیسم های اساسی و مزایای ناشی از تیمار UV/O₃ لایه های پلیمری و مواد نانوکربن ارائه شده است. بر رابطه بین تغییرات در ترکیب شیمیایی، مورفولوژی، گروه های عملکردی سطحی تیمار شده، بهبود چسبندگی، مرطوب شدن بستر، پراکندگی تقویت کننده های نانو و همچنین خواص نانوکامپوزیت های ایجاد شده از آن بر تأکید شده است.
کاملآ اثبات شده است که روش های تیمار سطحی خشک من جمله تخلیه کرونا، پلاسما اکسیژن و UV در حضور ازن کاربرد گسترده ای در بهبود چسبندگی پلیمر- سرامیک، علاوه بر چسبندگی پلیمر- پلیمر دارند. همه این تکنیک ها می توانند خواص فیزیکی- شیمیایی سطح بستر برای تماس نزدیک در دو مرحله متفاوت، را بدون تأثیر بر خواص مواد فله تغییر دهند. اثرات اصلی این تکنیک های کلیدی به شرح زیر هستند:
- پاکسازی: تبدیل فیلم های مایع یا آلاینده های جامد به فرآورده های گازی و فرّار
- فرسایش: اتچ کردن لایه ضعیف در مقیاس میکروسکوپی یا لیچ انتخابی زنجیره های پلیمری با وزن مولکولی کم
- تقویت سطح: پیوند عرضی یا انشعاب مولکول های پلیمر سطح نزدیک
- اصلاح ساختارهای شیمیایی ازطریق واکنش رادیکال های آزاد به گازهای اطراف
پلاسما اکسیژن می تواند اثر پاشش قابل ملاحظه ای داشته باشد زیرا حاوی ترکیب پیچیده ای از پروتون ها، الکترون ها، یون ها، رادیکال ها و گونه های برانگیخته با انرژی جنبشی بالا است. در مقابل، تیمار UV/ ازن (UV/O₃) که در این مقاله عمدتآ به آن توجه شده است، به دلیل عدم وجود ذرات حاوی انرژی جنبشی بالا از پلاسمای اکسیژن ملایم تر است. در مقایسه با سایر روش های تیمار سطح خشک، تیمار UV/O₃ از این مزیت برخوردار است که میتوان آن را در فشار اتمسفری انجام داد و بنابراین، تجهیزات و هزینه های عملی نسبتآ پایین است؛ به این معنا که این روش میتواند تکمیل کنندۀ روش های متداول مبتنی بر اکسیژن یا پلاسما هیدروژن در کاربردهای مختلف باشد. صنایع نیمه هادی و الکترونیک یکی از مهمترین حوزه هایی است که تیمار UV/O₃ کاربرد گسترده ای در آن دارد. برای مثال، سطوح ویفر Si با کمک تیمار UV/O₃ قابل پاکسازی است. در صورت کاربرد UV همراه با 0₃، HF یا هیدروژن، آلاینده های آلی و فلزی همچون ناخالصی های Cu (مس) کاملآ از بین می روند. میتوان گفت که فرایند پاکسازی دو مرحله ای متشکل از پلاسما هیدروژنی ریموت اولیه و پس از آن تیمار با UV/O₃ در حذف ناخالصی های فلزات سنگین مؤثرتر از پاکسازی با UV/O₃ یا هیدروژن به تنهایی است. تکنیک UV/O₃همچنین بعنوان ابزاری برای پاکسازی بسترهای آلی و معدنی بکار رفته در پکیج های الکترونیک مانند لایه منفعل بنزوسیکلوبوتن، بُردهای انعطاف پذیر پلی آمید، بردهای مدار چاپی آلی و سطوح لحیم کاری یوتکتیک بطور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. در سال های اخیر، اقدامات اکسیداتیو ناشی از تیمار UV/O₃ با موفقیت برای بهبود عملکرد دستگاه های ساطع کننده نور آلی (OLEDs) و سایر دستگاه های الکترونیکی مانند ترانزیستورهای اثرات آلی (FETs) و ترانزیستورهای تحرک الکترون بالا (HEMTs) مورد استفاده قرار گرفت.
فرایند UV/O₃ بعنوان جایگزینی برای روش رسوب دهی دی الکتریک بالا در دستگاه های MOS ژرمانیوم در مقیاس نانو محسوب می شود که ازطرفی، از خواصی همچون درجه حرارت بسیار پایین در پردازش، سطوح پایین آلودگی و همچنین قابلیت پوشش الکترود نیز برخوردار است. رسوب فلز نازک (مانند Zr یا Hf) با موفقیت بر روی سطح ویفر Si در خلاء زیاد پاشیده شده و به دنبال آن اکسیداسیون درجا توسط اکسیژن اتمی و ازن انجام شد. همچنین مشخص شد که محدودیت ضخامت فلز (34 نانومتر برای Zr و Hf بدون حرارت بستر) میتواند بطور کامل با UV/O₃ اکسید شود زیرا فرایند اکسیداسیونکنترل شدۀ انتشار است. همچنین تکنیک UV/O₃ برای تبدیل سرب و تیتانیوم حاوی فیلم Langmuir-Blodgett به فیلم غیرآلی تیتانیت سرب بسیار نازک که فروالکتریکی است و تقاضای زیادی برای دستگاه های الکترونیکی همچون حسگرها و مخازن دارد به کار گرفته شد. علاوه براین، این تکنیک در از بین بردن آلاینده ها روی سطوح فلزی متصل به سطوح کانتور موفق عمل کرده است؛ بعنوان مثال پروتز دست کودک بطور معمول حاوی بیش از 50 مفصل کوچک چسبیده است که میتوان آن را با تکنیک UV/O₃ پاکسازی کرد. جدا از کاربردهای UV/O₃ در صنایع نیمه هادی و الکترونیک به عنوان ابزاری برای تمیز کردن ویفر Si و بسترهای مختلف، کاربردهای گسترده ای در افزایش چسبندگی پلیمرها، اتصالات چسبی و کامپوزیت ها پیدا کرده است. اگرچه در ابتدا بعنوان یک روش برای پاکسازی سطح در نظر گرفته شد، اما بعدآ در اصلاح شیمی سطح و خواص رطوبت پذیری بسترهای پلیمری طبیعی/ مصنوعی بکار رفت. اثرات فردی و ترکیبی UV و ازن علاوه بر سطوح پلی استر و پارچه های پشمی، برای سطوح مختلف پلیمری نیز همچون پلی اتیلن (PE)، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی پروپیلن (PP)، پلی اتر اترکتون (PEEK)، لاستیک استایرن- بوتادین- استایرن (SBS)، پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) و سطوح پلی استایرن (PS) مورد بررسی قرار گرفت.
برای مثال PDMS یک لاستیک سیلیکونی با چگالی پایین نرمال با خواصی همچون آبگریزی بالا، مقاومت بالا در برابر آلاینده ها است. این خواص در لیتوگرافی نرم بسیار حائز اهمیت هستند؛ جایی که مهر PDMS با ساختارهای نقش برجسته در سطح آن برای ایجاد نقوش استفاده می شود و تکنیک UV/O₃ نیز قادر به تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی آن است.در واقع، PDMS به دلیل کم هزینه بودن و خواص مکانیکی عالی در طیف وسیعی از دما جایگزین مقرون به صرفه ای برای شیشه یا کوارتز در ساخت دستگاه های میکرو سیال است؛ UV/O₃ نیز می تواند آبدوستی PDMS را افزایش دهد که در کاربردهای میکرو کانال بسیار ضروری است. حتی باید گفت که UV/O₃ از میان تمام تکنیک ها، مناسب ترین روش برای اصلاح آبدوستی PS به صورت کنترل شده محسوب می شود.
بطور خلاصه باید گفت که روش UV/O₃ یک اکسیداسیون خشک و مناسب برای اصلاح خواص فیزیکی و شیمیایی سطوح پلیمری و کربنی است. بهینه سازی پارامترهای مواد و شرایط پردازش برای دستیابی به خواص سطحی مورد نظر ضروری است. باتوجه به مباحث ذکر شده در بالا میتوان نکات زیر را بیان کرد:
- درک خواص فیزیکی و شیمیایی سطوح پلیمری اصلاح شده برای تنظیم شرایط تیمار سطح بسیار ضروری است.
- گروه های کاربردی که مفیدتر از سایرین هستند، بایستی در سطح اصلاح شده در جهت افزایش مکانیسم های پیوند اولیه در بین انواع مکانیسم های اتصال موجود شناسایی شوند.
- تکنیک UV/O₃ یک روش جایگزین ایده آل برای روش درمان اسیدی با غلظت بالا در نانو- تقویت کننده ها با پایه کربن است.
- علاوه بر بهبود چسبندگی سطحی، یک تکنیک مناسب برای تیمار سطح نیز بایستی موجب پراکندگی یکنواخت تقویت کننده های نانو در مواد ماتریس شود.
- براساس مباحث ذکر شده در بالا و نتایج حاصل شده، تکنیک UV/O₃ را میتوان یکی از اقتصادی ترین، زیست سازگارترین و راحت ترین تکنیک ها دانست؛ این روش در آینده جایگزین سایر روش های اکسیداسیون معمولی مانند تیمارهای اسیدی با غلظت بالا و تیمارهای پلاسما خواهد شد.
