CN104498907A - 一种在低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法。该方法将清洗烘干后的基体放入PECVD设备腔体，腔体抽真空后通入碳源气体，向基体施加射频负偏压，采用PECVD技术在基体表面沉积碳膜，控制该射频电源功率为20W～70W，腔体沉积压强为1mTorr～30mTorr，能够使沉积的碳膜具有疏松多孔的表面微结构，从而具备疏水性能，即在低功耗、低气压条件下制得疏水性碳膜，是一种低成本，简单易行的制备方法，具有良好的应用前景。

Description

一种在低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法
技术领域
本发明属于材料表面处理技术领域，尤其涉及一种在低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法。
背景技术
润湿性是材料表面的重要特征之一，材料的表面能和表面结构都能影响材料表面的润湿性能。研究表明：随着固体表面能增大，固-液接触角会减小；表面结构对润湿性的影响则更为复杂，不同的表面粗糙度，表面微纳织构均会影响到表面的固-液接触角，因此通过制备不同表面结构来调控材料的润湿性具有重要意义。
具有疏水性的表面可以具有自清洁、防指纹等性能，这对于薄膜材料，尤其是装饰薄膜材料而言是非常重要的。
近年来，非晶碳膜由于其优异的性能，如良热导率、化学稳定、较好的生物相容性等受到了广泛的关注和研究。然而，目前利用各种方法制得的不同种类的非晶碳膜一般都呈现出亲水特性，如a-C:H膜的接触角约为70～80°，GLC膜的接触角约为85°，ta-C膜的接触角小于75°。因此，若能使碳膜同时具有疏水性，将极大地拓宽非晶碳膜的应用领域，例如可以应用于水过滤或者油水分离、燃料电池的气体扩散介质、不浸润的液体转移材料等。
发明内容
针对上述技术现状，本发明旨在提供一种疏水性碳膜的制备方法，利用该方法制得的碳膜具有疏松多孔的表面结构，从而具备疏水特性。
为了实现上述技术目的，本发明人尝试采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术在基体表面沉积碳膜，但是采用该方法制备疏水性碳膜时，往往需要高射频电源功率以及高碳源沉积压强，这就大大增加了能耗，提高了制备成本。经过大量实验反复探索后本发明人发现，当降低射频电源功率至20～70W，同时降低碳源进气量以降低碳源沉积压强至1mTorr～30mTorr时，能够制得疏水性碳膜。
即，本发明提供了一种在低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法，具体为：
将清洗烘干后的基体放入PECVD设备腔体，腔体抽真空后通入碳源气体，向基体施加射频负偏压，采用PECVD技术在基体表面沉积碳膜，所述的射频电源功率为20W～70W，所述的腔体沉积压强为1mTorr～30mTorr。
所述的碳源气体不限，包括CH4、C2H2、C6H6等。
作为优选，所述的腔体沉积压强为3mTorr～10mTorr。
作为优选，所述的射频电源功率为30W～50W。
作为优选，沉积碳膜之前首先对基体表面进行刻蚀，刻蚀方法为：将清洗烘干后的基体放入PECVD腔体中，腔体抽真空后通入Ar气等惰性气体，向基体施加初始射频负偏压，利用辉光放电对基体进行刻蚀。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明利用PECVD技术，通过控制射频电源功率为20W～70W，同时控制碳源进气量，将沉积压强控制在1mTorr～30mTorr，能够使沉积的碳膜具有疏松多孔的表面微结构，从而具备疏水性能，即在低功耗、低气压条件下制得疏水性碳膜，节约了气体以及能耗，是一种低成本的制备方法；
(2)本发明的制备方法无需高温条件，在常温环境即可实现；
(3)通过对碳源气体流量的调节或/和射频电源功率的调节，能够调控碳膜表面微结构，从而实现对碳膜疏水特性的调控，该调控方法操作简单，易于控制，具有良好的产业化前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的碳膜的SEM图；
图2是本发明实施例1制得的碳膜的接触角测量图；
图3是对比实施例1制得的碳膜的SEM图；
图4是对比实施例1中制得的碳膜的接触角测量图。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，采用PECVD技术在基体表面沉积碳膜，沉积过程如下：
(1)把清洗烘干后的基体放入PECVD设备腔体中，对腔体抽真空，在真空度达到2.0×10-5Torr时向腔体内通入氩气，进气量为20sccm，向基体施加射频负偏压，射频电源功率为200W，利用辉光放电对基体进行刻蚀40min；
(2)刻蚀结束后，停止通入氩气，通入乙炔气体，使腔体压强为8.0mTorr，向基体施加射频负偏压，射频电源功率为40W，在基体上沉积碳膜，沉积时间为40min。
上述制得的碳膜的SEM图如图1所示，显示该碳膜表面具有疏松多孔结构。
图2是上述制得的碳膜与水的接触角测量图，显示该碳膜与水的表面接触角为143.05°，具有疏水性。
对比实施例1：
本实施例是上述实施例1的对比实施例。
本实施例中，采用PECVD技术在基体表面沉积碳膜，基体与实施例1中的基体完全相同，沉积过程与实施例1基本相同，所不同的是步骤(2)中，射频电源功率为100W。
上述制得的碳膜的SEM图如图3所示，显示该碳膜表面致密光滑，不存在疏松结构。
图4是上述制得的碳膜与水的接触角测量图，显示该碳膜与水的表面接触角为12.99°，具有亲水性。
实施例2：
本实施例中，采用PECVD技术在基体表面沉积碳膜，沉积过程如下：
(1)把清洗烘干后的基体放入PECVD设备腔体中，对腔体抽真空，在真空度达到2.0×10-5Torr时向腔体内通入氩气，进气量为20sccm，向基体施加功率为200W的射频偏压，利用辉光放电对基体进行刻蚀40min；
(2)刻蚀结束后，停止通入氩气，通入乙炔气体，使腔体压强为6.0mTorr，开启射频电源，功率40W，在基体上沉积碳膜，沉积时间为40min。
上述制得的碳膜的SEM图类似图1，显示该碳膜表面具有疏松多孔结构。
经测量，上述制得的碳膜与水的表面接触角为139.87°，具有疏水性。
对比实施例2：
本实施例是上述实施例2的对比实施例。
本实施例中，采用PECVD技术在基体表面沉积碳膜，基体与实施例2中的基体完全相同，沉积过程与实施例2基本相同，所不同的是步骤(2)中，腔体压强40mTorr。
上述条件下无法制备出碳膜，仅能得到以碳成分为主的粉末状物质。
实施例3：
本实施例中，采用PECVD技术在基体表面沉积碳膜，沉积过程如下：
(1)把清洗烘干后的基体放入PECVD设备腔体中，对腔体抽真空，在真空度达到2.0×10-5Torr时向腔体内通入氩气，进气量为20sccm，向基体施加功率为200W的射频偏压，利用辉光放电对基体进行刻蚀40min；
(2)刻蚀结束后，停止通入氩气，通入乙炔气体，使腔体压强为8.0mTorr，开启射频电源，功率50W，在基体上沉积碳膜，沉积时间40min。
上述制得的碳膜的SEM图类似图1，显示该碳膜表面具有疏松多孔结构。
经测量，上述制得的碳膜与水的表面接触角为139.13°，具有疏水性。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法，其特征是：将清洗烘干后的基体放入PECVD设备腔体，腔体抽真空后通入碳源气体，向基体施加射频负偏压，采用PECVD技术在基体表面沉积碳膜，所述的射频电源功率为20W～70W，所述的腔体沉积压强为1mTorr～30mTorr。
2.如权利要求1所述的在低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法，其特征是：所述的碳源气体为CH4、C2H2或者C6H6。
3.如权利要求1所述的在低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法，其特征是：所述的腔体沉积压强为3mTorr～10mTorr。
4.如权利要求1所述的在低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法，其特征是：所述的射频电源功率为30W～50W。
5.如权利要求1所述的在低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法，其特征是：沉积碳膜之前首先对基体表面进行刻蚀，刻蚀方法为：将清洗烘干后的基体放入PECVD腔体中，腔体抽真空后通入Ar气等惰性气体，向基体施加初始射频负偏压，利用辉光放电对基体进行刻蚀。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的低功耗低气压条件制备疏水性碳膜的方法，其特征是：通过调节所述碳源气体流量和/或所述射频电源功率而调控碳膜的疏水特性。
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