DE102016206009A1 - Process for coating a substrate - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, wobei aus einem Arbeitsgas (AG) ein Plasmastrahl (PS) erzeugt wird, wobei mindestens ein erster Precursor (P1) dem Arbeitsgas (AG) und/oder dem Plasmastrahl (PS) zugeführt und im Plasmastrahl (PS) zur Reaktion gebracht wird, wobei bei dieser Reaktion entstehende oxidische Reaktionsprodukte auf einer Oberfläche des Substrats zur Ausbildung einer oxidischen Schichtmatrix abgeschieden werden, wobei mindestens ein zweiter, aminofunktionalisierter Precursor (P2) dem Plasmastrahl (PS) zugeführt und im Plasmastrahl (PS) zur Reaktion gebracht wird, wobei bei dieser Reaktion entstehende aminogruppenhaltige Reaktionsprodukte als Plasmapolymere mit der oxidischen Schichtmatrix zur Bildung einer Mischschicht abgeschieden werden.The invention relates to a method for coating a substrate, wherein a plasma jet (PS) is generated from a working gas (AG), at least one first precursor (P1) being supplied to the working gas (AG) and / or the plasma jet (PS) and in the plasma jet (PS) is reacted, wherein formed in this reaction oxide reaction products are deposited on a surface of the substrate to form an oxide layer matrix, wherein at least a second, amino-functionalized precursor (P2) to the plasma jet (PS) supplied and in the plasma jet (PS) is reacted, wherein resulting in this reaction amino group-containing reaction products are deposited as plasma polymers with the oxidic layer matrix to form a mixed layer.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats. The invention relates to a method for coating a substrate.
Schichten und Oberflächen, die für den Einsatz in einer biologischen Umgebung geeignet sind, können mittels plasmabasierender Verfahren der Oberflächentechnik hergestellt werden. In neueren Veröffentlichungen liegt ein Hauptaugenmerk der Untersuchungen in der Erzeugung funktionalisierter Oberflächen mit Hilfe von Plasmapolymerbeschichtungen, welche die Immobilisierung bzw. die Absorption von biologisch aktiven Molekülen an der Schicht ermöglichen. Layers and surfaces suitable for use in a biological environment can be fabricated using plasma-based surface engineering techniques. In recent publications, a major focus of investigations has been in the production of functionalized surfaces with the aid of plasma polymer coatings, which enable the immobilization or absorption of biologically active molecules on the layer.
Hierzu sind folgende Veröffentlichungen bekannt:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Beschichtung eines Substrats anzugeben. The invention is based on the object to provide an improved method for coating a substrate.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The object is achieved by a method having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten eines Substrats wird aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrahl erzeugt, wobei mindestens ein erster Precursor dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl zugeführt und im Plasmastrahl zur Reaktion gebracht wird, wobei bei dieser Reaktion entstehende oxidische Reaktionsprodukte auf einer Oberfläche des Substrats zur Ausbildung einer oxidischen Schichtmatrix abgeschieden werden, wobei mindestens ein zweiter, aminofunktionalisierter Precursor dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl zugeführt und im Plasmastrahl zur Reaktion gebracht wird, wobei bei dieser Reaktion entstehende aminogruppenhaltige Reaktionsprodukte als Plasmapolymere mit der oxidischen Schichtmatrix zur Bildung einer Mischschicht abgeschieden werden. Somit wird ineinander verwobenes Mischschichtsystem hergestellt. In a method according to the invention for coating a substrate, a plasma jet is generated from a working gas, wherein at least one first precursor is supplied to the working gas and / or the plasma jet and reacted in the plasma jet, resulting in this reaction oxide reaction products on a surface of the substrate Formation of an oxide layer matrix are deposited, wherein at least a second, amino-functionalized precursor is supplied to the working gas and / or the plasma jet and reacted in the plasma jet, resulting in this reaction amino-containing reaction products are deposited as plasma polymers with the oxidic layer matrix to form a mixed layer. Thus, interwoven mixed layer system is produced.
Die so abgeschiedene Schicht dient als chemisch reaktive Basis für die Immobilisierung von biologisch aktiven Molekülen, ist somit als biokompatible Oberfläche geeignet. Gegebenenfalls kann eine verbesserte Zelladhäsion erreicht werden. Die Abscheidung der aminogruppenhaltigen Plasmapolymere in Verbindung mit einer oxidischen Schichtmatrix, beispielsweise Siliziumdioxid, führt überraschenderweise zu einer gegenüber der im Stand der Technik beschriebenen Abscheidung von reinen aminogruppenhaltigen Plasmapolymerschichten deutlich abrasionsstabileren und haftfesteren Schicht. Die Einbettung der aminogruppenhaltigen Plasmapolymere in die oxidische Schichtmatrix verhindert oder verringert das Auswaschen der Amine aus der Schicht im Kontakt mit wässrigen Lösungen. The thus deposited layer serves as a chemically reactive base for the immobilization of biologically active molecules, is thus suitable as a biocompatible surface. Optionally, improved cell adhesion can be achieved. The deposition of the amino group-containing plasma polymers in conjunction with an oxidic layer matrix, for example silicon dioxide, surprisingly leads to a separation of pure amino group-containing plasma polymer layers which is significantly more abrasion-resistant and more adhesive than that described in the prior art. The embedding of the amino group-containing plasma polymers in the oxidic layer matrix prevents or reduces the washing out of the amines from the layer in contact with aqueous solutions.
In einer Ausführungsform werden der erste Precursor und/oder der zweite Precursor dem Plasmaprozess über eine Y-Düse oder eine Remote-Düse oder eine Kombinationsdüse oder mittels einer Anreicherung des Arbeitsgases vor Erzeugung des Plasmas zugeführt. In one embodiment, the first precursor and / or the second precursor to the plasma process via a Y-nozzle or a remote nozzle or a combination nozzle or by means of a Accumulation of the working gas supplied before generating the plasma.
In einer Ausführungsform wird als erster Precursor Hexamethyldisiloxan und/oder Tetraethoxysilan und/oder Tetramethylsilan verwendet. Auf diese Weise ergibt sich als eine oxidische Schichtkomponente Siliziumoxid. Ebenso kann ein titanhaltiger erster Precursor, wie Titan(IV)-tetraisopropoxid verwendet werden. Auf diese Weise ergibt sich eine oxidische Schichtkomponente aus Titanoxid. In one embodiment, the first precursor used is hexamethyldisiloxane and / or tetraethoxysilane and / or tetramethylsilane. In this way, silicon oxide results as an oxide layer component. Likewise, a titanium-containing first precursor such as titanium (IV) tetraisopropoxide can be used. In this way, an oxide layer component of titanium oxide results.
In einer Ausführungsform wird als zweiter Precursor Ethylendiamin und/oder Allylamin verwendet. Allylamin und Ethylendiamin als Precursoren weisen einen ausreichend hohen Dampfdruck auf, um mittels eines Bubblers in das Plasma eingeleitet zu werden. Daneben sind beide Substanzen günstig und problemlos verfügbar. Für Allylamin spricht zudem die Doppelbindung in der Struktur, was theoretisch eine freie radikalische Polymerisation ermöglicht. Ethylendiamin weist ein hohes Verhältnis von primären Aminen zu Kohlenstoff auf. In one embodiment, the second precursor used is ethylenediamine and / or allylamine. Allylamine and ethylenediamine as precursors have a sufficiently high vapor pressure to be introduced into the plasma by means of a bubbler. In addition, both substances are cheap and readily available. For allylamine also speaks the double bond in the structure, which theoretically allows a free radical polymerization. Ethylenediamine has a high ratio of primary amines to carbon.
Ebenso können als zweiter Precursor auch anderen Aminoverbindungen wie beispielsweise Cyclopropylamin oder Propargylamin verwendet werden. Likewise, other amino compounds such as cyclopropylamine or propargylamine can be used as the second precursor.
In einer Ausführungsform wird/werden der erste Precursor und/oder der zweite Precursor dem Arbeitsgas und/oder dem Plasma in gelöster Form, als Aerosol, dampfförmig oder in dispergierter Form, zugeführt. Der Precursor wird vorzugsweise im gasförmigen Zustand in das Arbeitsgas oder den Plasmastrom eingeleitet. Flüssige oder feste, insbesondere pulverförmige Precursoren sind ebenfalls einsetzbar, werden jedoch bevorzugt vor der Einleitung, beispielsweise durch Verdampfung und/oder Zerstäubung, in den gasförmigen Zustand oder einen aerosolartigen Zustand überführt. Ebenso kann der Precursor zunächst in ein Trägergas eingeleitet, davon mitgerissen und zusammen mit diesem in das Arbeitsgas oder den Plasmastrom eingeleitet werden. In one embodiment, the first precursor and / or the second precursor is / are supplied to the working gas and / or the plasma in dissolved form, as an aerosol, in vapor form or in dispersed form. The precursor is preferably introduced in the gaseous state into the working gas or the plasma stream. Liquid or solid, in particular pulverulent, precursors can also be used, but are preferably converted into the gaseous state or an aerosol-like state before introduction, for example by evaporation and / or atomization. Likewise, the precursor can first be introduced into a carrier gas, entrained therefrom, and introduced together with it into the working gas or the plasma stream.
In einer Ausführungsform wird das Plasma in einer Freistrahlplasma-Quelle erzeugt. Bei diesem Verfahren wird eine Hochfrequenzentladung zwischen zwei konzentrischen Elektroden gezündet, wobei durch einen angelegten Gasstrom das sich bildende Hohlkathodenplasma als Plasmajet aus der Elektrodenanordnung in aller Regel mehrere Zentimeter in den freien Raum und zur zu beschichtenden Oberfläche herausgeführt wird. Der Precursor kann sowohl vor der Anregung in das Arbeitsgas (direct plasma processing) als auch danach in das bereits gebildete Plasma oder in dessen Nähe (remote plasma processing) eingeleitet werden. Eine weitere Möglichkeit der Plasmaerzeugung ist das Ausnutzen einer dielektrisch behinderten Entladung. Dabei wird das als Dielektrikum dienende Arbeitsgas, insbesondere Luft, zwischen zwei Elektroden hindurchgeleitet. Die Plasmaentladung erfolgt zwischen den Elektroden, welche mit hochfrequenter Hochspannung gespeist werden. In one embodiment, the plasma is generated in a free-jet plasma source. In this method, a high-frequency discharge between two concentric electrodes is ignited, which is led out by an applied gas flow, the forming hollow cathode plasma as Plasmajet from the electrode assembly usually several centimeters in the free space and the surface to be coated. The precursor can be introduced both before the excitation in the working gas (direct plasma processing) and then in the already formed plasma or in the vicinity (remote plasma processing). Another possibility of plasma generation is the exploitation of a dielectrically impeded discharge. In this case, serving as a dielectric working gas, in particular air, passed between two electrodes. The plasma discharge takes place between the electrodes, which are supplied with high-frequency high voltage.
In einer Ausführungsform wird die Abscheidung bei Atmosphärendruck durchgeführt. Normaldruckplasmaverfahren erfordern einen wesentlich geringeren technischen Aufwand als Niederdruck- oder Vakuumverfahren, da eine zu evakuierende Reaktionskammer entfällt. Beim Normaldruckplasmaverfahren (APCVD – Atmospheric pressure Plasma Chemical Vapour Deposition – plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung unter Atmosphärendruckbedingungen) bilden sich im Plasmastrom aufgrund der Anreicherung des Arbeitsgases mit dem Precursor und durch plasmainitiierte chemische Umwandlungsprozesse zunächst Kristallisationskeime und Feststoffnanopartikel, die an der Substratoberfläche zu einer dünnen Schicht aufwachsen. Die Größe der sich aus solchen Partikeln bildenden Agglomerate und somit wesentliche Eigenschaften der Beschichtung lassen sich unter anderem durch den Abstand der Plasmaquelle von der Oberfläche, durch die Dosierraten der Precursoren, durch die eingebrachte Plasmaleistung und die verwendeten Prozessgase / Gasgemische einstellen. In one embodiment, the deposition is performed at atmospheric pressure. Normal pressure plasma processes require considerably less technical effort than low-pressure or vacuum processes, since there is no need to evacuate a reaction chamber. In the plasma flow due to the enrichment of the working gas with the precursor and through plasma-initiated chemical conversion processes, the plasma pressure-chemical vapor deposition (APCVD) initially forms crystallization nuclei and solid nanoparticles, which grow to a thin layer on the substrate surface. The size of the agglomerates forming from such particles and thus essential properties of the coating can be adjusted inter alia by the distance of the plasma source from the surface, by the metering rates of the precursors, by the plasma power introduced and the process gases / gas mixtures used.
Bei der APCVD werden als Siliziumoxid-Schicht-bildende Precursorsubstanzen siliziumorganische Verbindungen, beispielsweise Hexamethyldisiloxan (HMD-SO) oder Tetraethoxysilan (TEOS) oder Tetramethylsilan (TMS), verwendet. Üblicherweise kommt dabei Luft als Arbeitsgas zum Einsatz, aber auch die Verwendung von Stickstoff oder Argon als Arbeitsgas ist zur Einstellung bestimmter Funktionalitäten, bspw. einer hydrophilen Wirkung, geeignet. Bei der Verwendung einer Siliziumoxid-Schicht als Kompositschicht werden weitere, für eine bestimmte Applikation geeignete Schichtkomponenten in die Matrix eingebettet. Bekannt ist beispielsweise die Einbettung von funktionellen Nanopartikeln in eine Schichtmatrix. Im Ergebnis der Umsetzung des aminofunktionalisierten Precursors im Plasmastrahl kommt es zur Ausbildung von Plasmapolymeren. Die Abscheidung eines aminogruppenhaltigen Plasmapolymers mit der Schichtmatrix zur Ausbildung einer Mischschicht erfolgt durch Zudosierung entsprechender flüssiger oder dispergierter und anschließend vernebelter Vorläufersubstanzen (Precursoren) in den Plasmastrahl. Neben der üblicherweise bevorzugten Verwendung von Siliziumoxid-Schichtmatrizen können auch Titandioxid-Schichtmatrizen zum Einsatz kommen. Bei der APCVD werden als Titandioxid-Schicht-bildende Precursorsubstanzen titanorganische Verbindungen, beispielsweise Titan(IV)-tetraisopropoxid (TTIP) verwendet. Insbesondere kommt dabei Luft als Arbeitsgas zum Einsatz, aber auch die Verwendung von Stickstoff oder Argon als Arbeitsgas ist zur Einstellung bestimmter Funktionalitäten, beispielsweise einer hydrophilen Wirkung, geeignet. In the APCVD, organosilicon compounds, for example hexamethyldisiloxane (HMD-SO) or tetraethoxysilane (TEOS) or tetramethylsilane (TMS), are used as silicon oxide layer-forming precursor substances. Usually air is used as working gas, but also the use of nitrogen or argon as Working gas is suitable for adjusting certain functionalities, for example a hydrophilic effect. When using a silicon oxide layer as a composite layer further, suitable for a particular application layer components are embedded in the matrix. For example, the embedding of functional nanoparticles in a layer matrix is known. As a result of the reaction of the amino-functionalized precursor in the plasma jet, plasma polymers are formed. The deposition of an amino group-containing plasma polymer with the layer matrix to form a mixed layer is carried out by adding appropriate liquid or dispersed and then atomized precursor substances (precursors) in the plasma jet. In addition to the usually preferred use of silicon oxide layer matrices, it is also possible to use titanium dioxide layer matrices. In the APCVD titanium dioxide layer-forming precursor substances titanium organic compounds, such as titanium (IV) tetraisopropoxide (TTIP) are used. In particular, air is used as the working gas, but also the use of nitrogen or argon as working gas is suitable for the adjustment of certain functionalities, for example a hydrophilic effect.
Die im Stand der Technik dargestellten Verfahren erlauben die Herstellung von aminogruppenhaltigen Plasmapolymerbeschichtungen, welche die Immobilisierung beziehungsweise die Absorption von biologisch aktiven Molekülen an der Schicht ermöglichen. Zur Herstellung derartiger Schichten wird aufgrund des Ausschlusses der umgebenden Atmosphäre im Stand der Technik bevorzugt auf Niederdruckplasmaverfahren zurückgegriffen, wobei die Anregung des Arbeitsgases zumeist mit Hilfe von Mikrowellen- oder Radiofrequenzstrahlung erfolgt. Durch die Verwendung von Plasmaquellen, die unter Atmosphärendruckbedingungen arbeiten, werden technologische Fortschritte erwartet, da in diesem Fall auf den Einsatz von teurer Vakuumtechnik verzichtet werden kann. Atmosphärische Plasmen (oder im Grobvakuumbereich arbeitender Plasmen) können beispielsweise mittels dielektrisch behinderten Entladungen erzeugt werden, wobei mit den dabei verwendeten Flächenelektroden nur begrenzt kompliziertere 3D-Geometrien behandeln werden können. Unter diesem Gesichtspunkt können Freistrahlplasmasysteme von Vorteil sein, da diese mit ihren offenen Plasmajets praktisch beliebige Oberflächengeometrien und Substratmaterialien (leitfähig, dielektrisch) abarbeiten können. The methods described in the prior art allow the preparation of amino-containing plasma polymer coatings, which allow the immobilization or the absorption of biologically active molecules on the layer. In order to produce such layers, low-pressure plasma processes are preferably used in the prior art due to the exclusion of the surrounding atmosphere, the excitation of the working gas generally taking place with the aid of microwave or radio-frequency radiation. By using plasma sources operating under atmospheric pressure conditions, technological advances are expected, as in this case the use of expensive vacuum technology can be dispensed with. Atmospheric plasmas (or plasmas operating in the rough vacuum range) can be produced, for example, by means of dielectrically impeded discharges, wherein the surface electrodes used in the process can only handle limitedly complicated 3D geometries. From this point of view, free-jet plasma systems can be of advantage since, with their open plasma jets, they can process virtually any desired surface geometry and substrate materials (conductive, dielectric).
Der Durchsatz des Arbeitsgases und/oder des Precursors ist vorzugsweise variabel und steuerbar und/oder regelbar. Insbesondere sind die Durchsätze Arbeitsgas und Precursor unabhängig voneinander steuerbar und/oder regelbar. Neben dem Abstand der Beschichtungseinrichtung zu der zu beschichtenden Oberfläche steht so ein weiteres Mittel zur Beeinflussung der Schichteigenschaften, wie beispielsweise der Schichtdicke oder der Morphologie, zur Verfügung. Ebenso sind auf diese Weise Gradientenschichten realisierbar. The throughput of the working gas and / or the precursor is preferably variable and controllable and / or controllable. In particular, the throughputs working gas and precursor are independently controllable and / or controllable. In addition to the distance of the coating device to the surface to be coated so is another means for influencing the layer properties, such as the layer thickness or the morphology available. Likewise, gradient layers can be realized in this way.
In einer Ausführungsform wird als Arbeitsgas ein Inertgas wie Stickstoff oder Argon oder ein Gemisch dieser Gase mit Luft verwendet, um eine im Plasma zu erwartende vorzeitige oxidative Umsetzung des aminofunktionalisierten Precursors möglichst zu unterbinden oder ganz zu vermeiden. In one embodiment, an inert gas such as nitrogen or argon or a mixture of these gases with air is used as working gas in order to prevent or completely avoid a premature oxidative conversion of the amino-functionalized precursor expected in the plasma.
In einer Ausführungsform werden Parameter der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung so geführt, dass ein hydrophobes oder hydrophiles Verhalten der Oberfläche erzielt wird. Das Verhalten kann durch die Wahl des ersten Precursors, dessen Konzentration im Plasma und des Arbeitsgases variiert werden. Für ein hydrophobes Verhalten eignet sich Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als erster Precursor mit dem Arbeitsgas Luft. Um ein möglichst hydrophiles Verhalten der resultierenden Mischschicht zu erzeugen, kann als erster Precursor Tetraethoxysilan (TEOS) mit dem Arbeitsgas Luft oder Stickstoff sowie HMDSO mit Stickstoff genutzt werden. Die chemische Zusammensetzung der Mischschicht selbst wird bis auf den Anteil organischer Restgruppen nicht relevant verändert, es können zudem Veränderungen in der Oberflächenmorphologie der Mischschichten gezielt erzeugt werden. In one embodiment, parameters of the plasma enhanced chemical vapor deposition are performed so that a hydrophobic or hydrophilic behavior of the surface is achieved. The behavior can be varied by the choice of the first precursor, its concentration in the plasma and the working gas. For a hydrophobic behavior, hexamethyldisiloxane (HMDSO) is the first precursor with the working gas air. In order to produce as hydrophilic a behavior as possible of the resulting mixed layer, tetraethoxysilane (TEOS) with the working gas air or nitrogen and HMDSO with nitrogen can be used as the first precursor. The chemical composition of the mixed layer itself is not changed with the exception of the proportion of residual organic groups; in addition, changes in the surface morphology of the mixed layers can be specifically produced.
Die Erfindung betrifft weiter ein Bauteil, umfassend ein Substrat mit mindestens einer Oberfläche, auf der eine Mischschicht, umfassend aminogruppenhaltige Reaktionsprodukte, sogenannte Plasmapolymere, eingebettet in einer oxidischen Schichtmatrix mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche abgeschieden ist. The invention further relates to a component comprising a substrate having at least one surface on which a mixed layer comprising amino group-containing reaction products, so-called plasma polymers embedded in an oxidic layer matrix by means of a method according to one of the preceding claims.
Die abgeschiedene Mischschicht kann als biokompatible Schicht, als hydrophobe Schicht, als organo-modifizierte Schicht mit eingelagerten funktionellen Gruppen, zur Adhäsionsverbesserung, beispielsweise von Lacken und Klebstoffen oder zur chemischen Anbindung von weiteren Schichten verwendet werden. The deposited mixed layer can be used as a biocompatible layer, as a hydrophobic layer, as an organo-modified layer with incorporated functional groups, for the adhesion improvement, for example of paints and adhesives, or for the chemical bonding of further layers.
Das so beschichtete Bauteil kann insbesondere verwendet werden im biomedizinischen Sektor, beispielsweise zur Herstellung von aminofunktionalisierten Trägermaterialien für Zellwachstumsuntersuchungen oder als aminofunktionelle Beschichtung im Bereich der Implantatwerkstoffe. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich im Bereich der Leichtbaumaterialien zur Herstellung von Sandwichbauteilen, insbesondere von Metall-Polymer-Sandwichbauteilen. Mit Blick auf Anwendungen im Bereich der Verklebung ermöglicht die erfindungsgemäße Funktionalisierung einer Bauteiloberfläche unter Verwendung geeigneter Klebstoffe, Lacksysteme oder weiteren organischen Beschichtungen eine verbesserte Adhäsion. The component coated in this way can be used in particular in the biomedical sector, for example for the production of amino-functionalized support materials for cell growth studies or as an amino-functional coating in the area of implant materials. Further applications arise in the field of lightweight materials for the production of sandwich components, in particular of metal-polymer sandwich components. With regard to applications in the field of bonding, the functionalization according to the invention of a component surface using suitable adhesives, coating systems or other organic coatings enables improved adhesion.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Darin zeigen: Show:
In verschiedenen Versuchen wurden auf Substraten Mischschichten abgeschieden, wobei aus einem Arbeitsgas AG ein Plasmastrahl PS erzeugt wurde, wobei mindestens ein erster Precursor P1, insbesondere Hexamethyldisiloxan, dem Arbeitsgas AG und/oder dem Plasmastrahl PS zugeführt und im Plasmastrahl PS zur Reaktion gebracht wurde, wobei bei dieser Reaktion entstehende Reaktionsprodukte auf einer Oberfläche des Substrats zur Ausbildung einer oxidischen Schichtmatrix abgeschieden wurden, wobei mindestens ein zweiter, aminofunktionalisierter Precursor P2, insbesondere Ethylendiamin oder Allylamin, dem Plasmastrahl PS zugeführt und im Plasmastrahl PS zur Reaktion gebracht wurde, wobei bei dieser Reaktion entstehende aminogruppenhaltige Reaktionsprodukte als Plasmapolymere zur Ausbildung einer Mischschicht mit der oxidischen Schichtmatrix abgeschieden wurden. Die Abscheidung erfolgte bei Atmosphärendruck unter Verwendung verschiedener Plasmadüsen-Bauformen. In various experiments, mixed layers were deposited on substrates, wherein a plasma jet PS was produced from a working gas AG, wherein at least a first precursor P1, in particular hexamethyldisiloxane, was supplied to the working gas AG and / or the plasma jet PS and reacted in the plasma jet PS, wherein reaction products formed in this reaction were deposited on a surface of the substrate to form an oxide layer matrix, wherein at least a second, amino-functionalized precursor P2, in particular ethylenediamine or allylamine, was supplied to the plasma jet PS and reacted in the plasma jet PS, resulting in this reaction amino-containing reaction products were deposited as plasma polymers to form a mixed layer with the oxide layer matrix. Deposition was at atmospheric pressure using various plasma jet designs.
In einer Ausführungsform wird als erster Precursor P1 Hexamethyldisiloxan und als zweiter Precursor P2 Ethylendiamin verwendet. Dieser erste Precursor P1 und der zweite Precursor P2 können entsprechend der Verfahrensführung direkt in das Plasma eindosiert werden oder aber nur in die Nähe des Plasmastrahls PS zugeführt werden. Zu diesem Zweck wurden, wie in
Bei der Y-Düse YD wird der zweite Precursor P2 in einem Trägergas TG dem Plasmastrahl PS in einem Bereich zugeführt, der eine längere Interaktionszeit zur Umsetzung im Plasma ermöglicht. Der erste Precursor P1 kann entweder zuvor in das Arbeitsgas AG eindosiert (
Für die Versuche wurde ein Freistrahl-Plasmasystem mit einer Plasmaleistung von 75–100 W verwendet. For the experiments, a free-jet plasma system with a plasma power of 75-100 W was used.
In einem ersten Versuch V1 erfolgte die Abscheidung mittels einer Remote-Düse RD bei einer Plasmaleistung von 75 W. In einem zweiten Versuch V2 erfolgte die Abscheidung mittels einer Remote-Düse RD bei einer Plasmaleistung von 100 W. In einem dritten Versuch V3 erfolgte die Abscheidung mittels einer Y-Düse YD bei einer Plasmaleistung von 75 W. In einem vierten Versuch V4 erfolgte die Abscheidung mittels einer Kombi-Düse KD bei einer Plasmaleistung von 75 W. In a first experiment V1, the deposition was carried out by means of a remote nozzle RD at a plasma power of 75 W. In a second experiment V2 was the deposition by means of a remote nozzle RD at a plasma power of 100 W. In a third attempt V3 was the deposition by means of a Y-nozzle YD at a plasma power of 75 W. In a fourth experiment V4, the deposition was carried out using a combination nozzle KD with a plasma power of 75 W.
Die Einspeisung des ersten Precursors P1 Hexamethyldisiloxan erfolgte mit Hilfe eines Massenflussregelsystems, die Flussrate lag bei 2,5 ml/min für die Y-Düse YD und die Kombi-Düse KD, im Falle der Remote-Düse RD lag dieser Wert bei 10 ml/min. Die Einspeisung des zweiten Precursors P2 Ethylendiamin erfolgte mit Hilfe eines Bubbler-Systems, die Flussrate des Trägergases TG lag bei 100 ml/min bis 300 ml/min. Das mit Ethylendiamin angereicherte Gasgemisch wurde einem zusätzlichen Trägergasstrom von 4 l/min zudosiert, um den zweiten Precursor P2 weiter zu verdünnen und zu homogenisieren. Als Arbeitsgas AG, als Trägergas TG für das Ethylendiamin und als Trägergas TG für das Hexamethyldisiloxan kam Stickstoff zum Einsatz. The feed of the first precursor P1 hexamethyldisiloxane was carried out by means of a mass flow control system, the flow rate was 2.5 ml / min for the Y-nozzle YD and the combined nozzle KD, in the case of the remote nozzle RD, this value was 10 ml / minute The feed of the second precursor P2 ethylenediamine was carried out with the aid of a bubbler system, the flow rate of the carrier gas TG was at 100 ml / min to 300 ml / min. The enriched with ethylene diamine gas mixture was added to an additional carrier gas flow of 4 l / min to further dilute the second precursor P2 and homogenize. Nitrogen was used as working gas AG, as carrier gas TG for the ethylenediamine and as carrier gas TG for the hexamethyldisiloxane.
Die an der Oberfläche der beschichteten Substrate mittels Photoelektronenspektroskopie (XPS) gemessene Elementverteilung zeigt, dass für die Mischschichten unabhängig von der Düsenform stabile Stickstoffgehalte um 9 % und stabile Siliziumgehalte um 17 % erzielt wurden. Die mittels Y- und Kombi-Düse YD, KD hergestellten Proben zeigen höhere Anteile an Sauerstoff und geringere Werte an Kohlenstoff im Vergleich zur Remote-Düse RD. Dies ist auf die unvollständige Umsetzung von HMDSO in SiOx bei der Remote-Düse RD zurückzuführen. Im Vergleich der mittels Remote-Düse RD bei 75 W und 100 W abgeschiedenen Mischschichten erkennt man nur geringe Unterschiede. The element distribution measured on the surface of the coated substrates by means of photoelectron spectroscopy (XPS) shows that for the mixed layers, independent of the nozzle shape, stable nitrogen contents of 9% and stable silicon contents of 17% were achieved. The samples prepared by Y and combination nozzle YD, KD show higher levels of oxygen and lower levels of carbon compared to the remote nozzle RD. This is due to the incomplete conversion of HMDSO into SiO x at the remote nozzle RD. in the Comparison of the mixed layers deposited by remote nozzle RD at 75 W and 100 W reveals only slight differences.
Zur Bestimmung der Wasserbeständigkeit der Mischschichten sind die beschichteten Proben für fünf Minuten in entionisiertem Wasser ausgelagert worden. To determine the water resistance of the mixed layers, the coated samples were aged in deionized water for five minutes.
Die Bestimmung des Gehaltes primärer Amine zum Kohlenstoff ([NH2]/[C]) wurde in den abgeschiedenen Mischschichten mittels XPS-Messungen durchgeführt. Per XPS ist Stickstoff zwar problemlos nachweisbar und darüber hinaus ist es möglich, über die Höhen der Bindungsenergien Aussagen über die Bindungsverhältnisse zu treffen, eine Aussage, ob der detektierte Stickstoff in Form von primären Aminen vorliegt, ist jedoch nicht möglich. Somit wurden die entsprechenden Proben vor der XPS-Analyse mit Pentafluorobenzaldehyd (PFBA) derivatisiert, um über den Gehalt an Fluor zu einer quantitativen Aussage bezüglich der NH2-Gruppen zu gelangen. The determination of the content of primary amines to carbon ([NH 2 ] / [C]) was carried out in the deposited mixed layers by means of XPS measurements. Although nitrogen can be easily detected by XPS and it is also possible to make statements about the bonding conditions via the heights of the binding energies, a statement as to whether the detected nitrogen is in the form of primary amines is not possible. Thus, the corresponding samples were derivatized with pentafluorobenzaldehyde (PFBA) prior to XPS analysis to quantify the content of fluorine for the NH 2 groups.
Das ermittelte Verhältnis NH2/C von Aminen NH2 zu Kohlenstoff C für die in den Versuchen V1 bis V4 abgeschiedenen Mischschichten vor der Wasserlagerung von bis zu 2,5% entspricht dem gegenwärtig erreichten Stand der Technik. Es konnte zudem überraschenderweise festgestellt werden, dass es mittels kombinierter paralleler Abscheidung von Ethylendiamin und Hexamethyldisiloxan möglich ist, ausreichend wasserfeste, aminhaltige Plasmapolymerschichten, herzustellen. Deutlich zu erkennen ist in
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS
- AGAG
- Arbeitsgas working gas
- KDKD
- Kombi-Düse Combined nozzle
- PSPS
- Plasmastrahl plasma jet
- P1P1
- erster Precursor first precursor
- P2P2
- zweiter Precursor second precursor
- RDRD
- Remote-Düse Remote nozzle
- TGTG
- Trägergas carrier gas
- V1 bis V4V1 to V4
- Versuch attempt
- V1‘ bis V4‘V1 'to V4'
- Versuch attempt
- YDYD
- Y-Düse Y nozzle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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