大气压介质阻挡放电聚合沉积氟碳有机纳米晶的研究

论文摘要

等离子体具有利用电子、原子、离子、激发态分子等进行纳米结构组装或刻蚀的特点,在纳米技术一兴起就起着重要作用。它是晶态纳米结构成型的一种方便、有效、低成本的方法,可通过气固或气—液—固过程成型加工,是获得Si、Ru、Bi2S3、SiC、GaAs、GeTe等无机纳米晶材料的常用方法,而利用此方法沉积有机纳米晶却少有报道。本文设计了一种特殊结构的圆筒状介质阻挡放电装置,用于氟碳化合物纳米晶的聚合沉积。用此法,可在大气压下快速获得各种尺度的氟碳聚合物纳米晶,并提供了一种聚合物纳米晶结晶成型的新途径。首先,为更好地调控氟碳等离子体聚合的放电参数,对该反应装置的放电特性进行了测量和模拟研究。通过观察电流-电压放电曲线发现其在常压下为丝状放电,等离子体发射光谱仪测量了氩气放电气氛中的电子激发温度在0.24～0.32eV范围,采用电荷-电压法测定电路中的视在功率为0.28～1.13kW。采用等离子体的粒子模拟方法（ParticleIn Cell）,利用XOOPIC软件对大气压下同轴圆筒状介质阻挡放电（DBD-Dielectric Barrier Discharge）特性进行了模拟研究,再现了微放电通道的形成和发展过程,模拟结果表明微放电的寿命约为4ns,获得了电子、离子、介质表面电荷密度和电场强度随空间和时间的分布,发现在高压电极附近电子、离子和介质表面电荷密度存在极值,与典型平板介质阻挡放电相比,微放电中的电子密度、场强高出2～3个数量级,这有利于氟碳纳米晶的快速聚合结晶成型。其次,利用扫描电镜（SEM）观察了不同条件下聚合物颗粒的物理形貌和尺寸分布,结果表明,玻片上沉积聚合膜含平均尺寸大约为100nm、长度在1～2.5μm的纳米棒。把气相中的颗粒直接引入极性溶剂无水乙醇中,由于无水乙醇降低了颗粒的比表面能,获得的纳米颗粒具有很好的单分散性,其平均粒径约为150nm。最后,对氟碳聚合物沉积膜的化学成分和结构分析表明,除了含有大量的氟碳成分外还掺入了氧和氢,聚合物中的氟碳比随着功率增加呈减小的趋势。傅立叶红外光谱（FTIR）显示该聚合物具有聚四氟乙烯薄膜的特征峰,透射电镜（TEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、选区电子衍射（SAED）与X射线电子衍射（XRD）的结果分析表明,所获得的有机纳米颗粒为六角晶系的多晶结构,薄膜所含的纳米棒属于立方晶系的单晶结构。本文研究的大气压下介质阻挡放电等离子体聚合获得有机氟碳纳米晶的方法简单、迅速、成本低,可用于各种尺度的聚合物纳米晶的研制,为有机纳米晶粒通过自组装获得新功能材料提供了前提条件,并拓宽了一维单晶有机聚合物纳米材料研制的途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 介质阻挡放电（DBD）
• 1.2 低温等离子体聚合
• 1.3 氟碳化合物等离子体聚合
• 1.4 等离子体聚合纳米晶体
• 1.5 本文研究内容及意义
• 第二章 实验设计
• 2.1 大气压DBD等离子体聚合实验
• 2.2 圆筒状DBD放电特性模拟研究
• 2.3 反应气体原料
• 2.4 氟碳聚合物的表征
• 第三章 大气压圆筒状DBD放电参数研究
• 3.1 大气压介质阻挡丝状放电的特性
• 3.2 放电电流-电压特性曲线
• 3.3 放电功率的测量
• 3.4 光谱诊断低温等离子体电子激发温度
• 第四章 圆筒状DBD放电特性模拟研究
• 4.1 等离子体的粒子模拟方法
• 4.2 物理模型和参数设定
• 4.3 模拟结果分析
• 4.4 结论
• 第五章 氟碳聚合物的物理、化学性质分析
• 5.1 影响聚合物表面形貌因素分析
• 5.2 电极材料对聚合结晶过程的影响
• 5.3 聚合物结晶分析
• 5.4 聚合物的化学成分与结构分析
• 5.5 聚合物双疏性能分析
• 第六章 结论和展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢