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铝硅烷涂层的湿沉积和等离子体沉积的比较
关键词：等离子体沉积，硅烷，BTSE，X射线光电子能谱，IRRAS
摘要：硅烷涂料适用于金属表面的各种用途，例如形成一个防腐保护层或者充当后续涂层的底漆。在这项工作中二—1，2—（三乙氧基）乙烷（BTSE）作为先驱在99.99%的铝基底上用于沉积涂层，伴随三种不同的技术：浸涂（水基溶液），真空等离子体和大气等离子体。反射吸收红外光谱（IRRAS），X射线光电子能谱（XPS）和场发射枪扫描电子显微镜（FE— SEM），用来表征硅烷涂层的结构，组成和表面形貌。本次调查研究的目的是比较通过三种不同方法制备的膜的表面和体的特点，以获取BTSE分子是怎样被沉积技术修改的信息。结果表明除了更传统的湿浸涂，膜还可以被真空和大气等离子沉积。真空等离子沉积层可以被视为有机和无机的混合物，和硅烷层一样可以通过浸涂获得。然而，大气等离子体处理导致更多含Si—O更丰富的无机膜的形成。光电子能谱和红外光谱测量表明了Si—O—Si键的存在，而IRRAS测量显示了Si—O—Si，Si—O—C，Si—O和Si—CH3吸收带。
1 引言
在各种应用中，金属表面覆盖有机膜以提高其整体性能，特别是它的腐蚀性能。目前已有多种硅烷通过浸涂沉积为铝和合金钢而被研究[1,2]。硅烷提供了强有力的基材附着力，在铝合金中展现出杰出的腐蚀防护性能。在某些情况下相当于包含转换预处理的六价铬[3]。研究发现，非功能性硅烷例如二—1，2—（三乙氧基）乙烷（BTSE）比有机功能性硅烷例如γ—氨丙基三乙氧基硅烷(γ—APS) [4]和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(γ—GPS) [5]表现出更好的腐蚀防护性能。硅烷膜沉积的涂层工艺可以或干或湿，这取决于使用方法[6–8]。截至目前，这些硅烷膜大多数通过浸涂或者粘辊从溶液中沉积，这需要加水到硅烷分子以水解甲氧基或乙氧基团和形成功能甲烷组，即：
(1)
其中X代表一个有机功能性组，如氯，胺，环氧树脂或巯基等。相互作用的表面含金属的硅烷中一个重要的方面是基质的性质和预处理。在金属表面形成羟基团需要一个碱性预处理，和硅烷醇组分一起，它们对共价Si—O—金属键在金属/膜界面的形成是必不可少的[9,10]。此外，对硅烷膜的热处理会提高防护性能[10]，通过加强交联（硅烷醇组分的冷凝）即：
(2)
这种交联膜接下来将通过减少可能发生的渗透路径数作为一个在金属基质和侵略性环境之间的物理屏障。因此，膜的防护性能和基材的防腐性能得到改善。
为了提高BTSE涂层防腐性添加剂被包含在硅烷基质，既为屏障又为腐蚀抑制增强[11-15]。Phanasgaonkar和Raja [16]和Montemor等的最近一项研究[17]证明了添加二氧化硅纳米粒子到硅烷膜将增加涂层的防蚀性。纳米粒子加强了无裂缝膜的形成同时提高了机械耐用性和防腐性能[18]。它们似乎也有堵孔效应[19-21]，因为它们可以在硅烷膜中填补缺陷和空洞。这导致孔隙率和电导率显著下降，同样提高了防护性能。通过湿法沉积硅烷正在被广泛研究，但是该技术表现出一些缺点。首先，湿沉降是一个多级的处理，需要专门的基质在沉积膜前预处理，以提高金属膜粘接合和一个通过热固化的后处理以提高防护性能。此外，湿处理涉及溶液（如果不是以水为基则含有有机溶剂，也就是正己烷，丙酮和乙醇）的使用和废液的制造。除了水解涂料溶液所需的长时间（大约两天）[22]，还有可能一些水或者溶剂固化后仍然残留在硅烷膜，这样会减少防蚀性能。
等离子体技术是湿沉降有效且良好的替代品，它允许在聚合物按相同反应沉积之前进行等离子体清洗步骤。等离子体被用于化学分解先驱硅烷蒸汽，并作为涉及到膜成长的活性种类的来源。等离子体聚合过程通常在低气压下进行，目前，该过程在工业应用中的主要缺点是真空系统和由真空封闭反应的局限性（这使得连续制备样品更困难）带来的高成本。为了开发替换技术以克服这些缺点，研究人员付出了相当大的努力。大气等离子体是一种最有前途的方法以更灵活，可靠，低廉，连续的方式[23]沉降聚合物膜。
一些硅烷膜的等离子体沉积已经被研究过[8]。这些研究大部分进行特性描述，结构和沉积聚合物膜的性能[24–28]，并伴随等离子体聚合机制的有机硅化合物[29,30]。这些膜作为腐蚀防护涂层，是由于它们通常分支，高交联，不溶性，无针孔，对于大多数基质高粘连[31,32]。硅烷层充当界面改性剂以提高粘附性和耐蚀性。
最近的研究处理在99.99%铝上硅烷(BTSE)膜表面和化学描述，获得不同沉积方法：浸涂（以水为基），真空和大气等离子体。BTSE的等离子体聚合在之前的研究中从未被报道过，也没有关于不同沉积方法的比较的可利用的报道。这是观察初始结果相同的涂层和不同特性是怎样取决于所采用的技术的。
2 实验
被研究中涂料沉积到高纯度金属铝片（铝99.99％），碱性预处理基质，通过将它们浸泡在NaOH溶液（25 g/l at 343 K）6秒使表面活化泡，然后用水冲洗掉，用增压空气干燥。
先驱研究（二—1，2—（三乙氧基）乙烷）BTSE：用10%的以水为基的溶液浸涂和用等离子体沉积浓缩98%纯度的溶液。两种溶液都被德国凯密特尔集团提供。BTSE的分子结构(CH2)2Si2(OC2H5)6被显示在图1。

图1 BTSE的分子结构（1，2条之二（三乙氧基）乙烷）：（CH2）2Si2（OC2H5）6
2.1 湿沉降
对于湿沉积，将将10％的BTSE溶液用水稀释至5％然后有磁力地搅拌半小时。然后铝基质的前处理，再在BTSE溶液中手动沉浸30秒然后在干燥空气中除去多余的液体，在炉中473K下处理2小时固化。
2.2 等离子沉积
2.2.1 常压等离子体
大气等离子装置由一种SurfX技术LLC，A-250D沉积系统。图2显示了等离子体焰炬（以5cm2淋喷头结尾的圆柱）原理[33]。该系统工作在13.56MHz频率（RF），等离子体由输送工业氩气形成，进入系统，上游电极流速30.0l/ min，浓缩BTSE先驱被保存在温度控制在373K，并被引进到等离子体。下游电极（在放电之后）通过氩冒泡通过液体先驱。一自制的直径为3cm的淋浴环被使用，以获得一个个均匀分布的先驱。它由一个直径3mm的铝管和24个直径为1mm的钻入内部的有规律分布在管周围的小孔组成（见图2）。气流针对基质下游0.5cm。等离子体膜沉积在80W下执行2分钟。

图2 大气等离子体沉积装置设示意图 图3 真空等离子体反应器示意图
2.2.2 真空等离子
真空等离子反应器（图3）包括三个主要部分：平面源（ICP-P 200, JE PlasmaConsult GmbH, Germany），注气系统和真空室。
在ICP - P的200是一种射频（13.56 MHz）的电感耦合等离子体（ICP）来源为一个高密度和低温等离子体高效生产设计。它由水冷四铜线圈平面天线（直径为20厘米），其电磁功率透过一个介质窗（石英）传输到气体中。它在一个自动模式，具有无线电频率的电力发电机中运行（Dressler® Cesar® 1310, Advanced Energy, Germany）和反射功率低于2W在等离子体点燃后10秒内完成。
注气系统包括四个流量计(MKS1179A types)，这连接到一个“林裕环”输出，允许一种均匀气体在室内均匀分布。在直径20cm的林裕环内部由一个直径6mm不锈钢管和20个直径为1mm的围绕环有规律分布的钻入内部的小孔组成。
等离子体室由一个直径为30cm接地不锈钢容器连接到一个抽水系统（PFEIFFER DUO 20 MC 24m3/h primary pump and PFEIFFER TPU 261 PC turbo molecular pump）。在真空室中心，氧化铝汽缸固定在一架四轴操纵器上。样品架固定器由氧化铝嵌入不锈钢盘。一个直径1mm的不锈钢棒插入汽缸内，并连接到电气引线，用以在必要时应用样本上DC或者RF的偏压。否则，样品可留在悬浮电位或接地。样品及石英窗口的距离可以调整，由0.5至17cm。压力是采用瓦里安监测仪（Convector p-type）。
朗读样品由一个碳胶带固定在样品台上，放入等离子体室，它会被注入11×10−3 Torr压力。等离子体通过引入集中BTSE蒸汽单体进入等离子室进行聚合，并通过一个阀门泄漏，调整压力到300mTorr。聚合是一个连续波浪模式，等离子体膜的沉积在200W5分钟后开始进行，放电后，室内压力下降到1×10−3 mTorr，以避免处理后反应剩余表面自由基和外部反应物进行反应，样本在真空或惰性气体中4小时，然后转进空气测量光电子能谱。
2.3 表面表征
X射线光电子能谱（XPS）通过物理电子学5500光电子分光仪在样品中执行，所有光谱都用Mg Kα X射线在300W时操作收集。高光谱分辨率的光谱通过使用
23.5电子伏特的能量得到，相当于一个半高全宽（半宽）在银3d5 / 2 1.05 eV的峰值。结合能比例的校准通过设置主要成分在284.4eV的C1峰值完成[34]。
BTSE膜在铝上的（99.99%）的反射吸收红外光谱（IRRAS）在45◦
波数2 cm−1分辨率，使用一台 Nicolet 5700 FTIR 装备有一个MCT 检测器通过液氮冷却的分光仪测定，红外光谱进行记录和有4000到650cm- 1检查。一百扫描分析，以掌握各IRRAS数据。
使用一台具有高空间分辨率的日本电子JSM - 7000F铁扫描电镜（场发射枪扫描电子显微镜）来描述样品表面的形貌。对于横截面成像的目的，硅烷样品在液氮中浸泡后弯曲，为了确保膜的大幅削减。显示对应的拉丁字符的拼音
2.4 电化学阻抗谱（EIS）
利用恒电位一AUTOLAB PGSTAT30模式，对105Hz至10MHz时的OCP频率范围内电化学阻抗谱（EIS）进行通讯频率范围内的测量。该振幅有效值为10mV，该单元包括三个电极装置：一个SCE参考，铂网格电极，工作电极，这是BTSE涂层铝正在研究的（有效面积：1.54cm2）。一个铂丝加上10μF电容与参比电极平行放置，以减少相移，由参比电极在高频率范围。这些测试在0.4进行了硫酸钠溶液中进行
3 结果与讨论
3.1 薄膜的浸涂
涂层样品转移到XPS分析室后，立即薄膜沉积和固化。根据XPS分析（图4，频谱一），对薄膜的外表面相当于SiO1.7C区域组成。
结合能和硅元素院子的百分比，氧和碳存在于以水基为主的BTSE膜在表1中给出，该膜包含了27.5％的硅，45.8％的氧和26.7％的碳。在532.3 eV的氧峰的Si—O键的特征[34]，矽峰在102.3 eV的为R -硅氧型有机硅的预期相匹配的能量[34]，碳峰在284.4 eV，没有显示出明显的C—O组件。
一个浸涂层薄膜红外吸收光谱BTSE
载于图5（频谱A）和相应的峰值分配表2Si—CH3的在1272cm-1的峰值，不对称Si—O—Si的伸缩（1200 1000）cm-1和四甲基的弯曲800cm-1振动的观察。本的Si—O—C的伸缩振动1110cm-1和CH2的摇摆振动 在（1000-1020）cm-1的可能四CH2的硅组重叠，Si—O—Si的伸缩（1200-1000）cm-1。信号在918cm-1可以被确定为Si—OH的伸缩振动。先前的研究表明，在这些层的热固化对Si—O—H键减少红外吸收信号和一个的Si—O—Si键增加[35]，表明凝结反应发生在大部分硅烷层分子之间，造成了交联网络。根据观察的电化学阻抗谱，这个网络的形成增加了对水解和腐蚀的阻隔性能[35]。
一个水基5%BTSE膜横截面通过浸涂沉积如图6所示，膜厚度约为50nm。

图4 BTSE薄膜的XPS谱沉积调查（A）湿沉降，（B）真空等离子体和（C）大气等离子体

图5 沉积在铝上的BTSE薄膜的红外光谱 （A）湿沉降（B）真空等离子体（C）大气等离子体

图6 扫描电镜的交叉BTSE膜上沉积Al的形貌（A）湿沉降，（B）真空等离子体（C）大气等离子体

3.2 真空等离子体沉积膜
BTSE膜的真空等离子XPS谱如图4所示（光谱B），元素分析结果报告在表1中。BTSE膜包含Si，C，O，氧气的峰值在532.3eV具有Si—O键的特性[34]，硅的峰值在102.7eV的为R—硅臭氧型有机硅的预期相匹配的能量[34]，碳在284.4 eV的峰是C—C或C—H的特征
膜的组成相当于SiO1.7C0.9（图4，光谱B），比照在未反应BTSE先驱SiO3C7。.这Si：O：C比例表明，硅氧键形成和Si - C键期间发生的过程中，释放碳氢化合物。
图5（谱B）给出了等离子体的红外光谱形成BTSE层在等离子体沉积功率200W，0.3Torr，沉积时间5分钟。峰值分配见表2。它揭示了一个存在大量的二甲基硅烷基组。
硅氧烷（Si—O—Si）在（1200-1000）cm-1，二甲基硅烷基（Si—(CH3)2）在806cm-1和三甲基硅烷基(Si—(CH3)3)在850cm-1清晰可见。伸缩振动导致的结论是，浓度CH2的是相当低（见图7）。
图6B所示一个BTSE膜通过真空等离子体沉积在铝基质上横截面的扫描电子显微镜照片。膜是连续紧凑的大约70纳米厚。等离子体执行过程导致一个构造均匀的膜。

图7 BTSE膜沉积的真空等离子体聚合物红外反射吸收光谱
3.3 通过大气等离子体的膜沉积
膜沉积等离子体功率从40到100W，沉积时间从2到30分钟在大气压下。只有在80W的XPS和IRRAS谱载，因为没有效果的组成和结构的薄膜观察到不同的功率和沉积时间。事实上，红外光谱记录在这些不同的权力合成不会透露任何乐队和峰值能量和相对强度变化的样本，提出了类似的化学薄膜中。由于等离子体过程的特殊性，沉积时间只有一对沉积薄膜厚度的影响。
结合能和硅，氧和碳原子薄膜中目前的百分比列于表1，由于XPS的分析结果。膜由34.7％的硅，58.6％的氧气和6.7％的碳。氧气在532.8 eV的特征峰在（1250至1000年）cm - 1的观察。在912cm- 1带也是可见的，显示了Si— OH的存在。
有代表性的一个BTSE膜沉积在大气等离子体如图6C所示，薄膜的厚度约为80纳米（沉积时间30分钟）。大气等离子体过程也导致了地形均匀薄膜。

图8对沉积薄膜的XPS高分辨谱（Si2p）
（A）BTSE湿沉降，（B）真空等离子体和（C）大气等离子体
3.4 比较不同技术下的膜沉积
表1总结了薄膜的XPS分析结果与沉积的三种方法。虽然有关的价值观浸涂层和真空等离子体薄膜具有可比性，在大气等离子体BTSE电影碳含量从26.7下降至6.7％的C / O比从0.6下降到0.1。薄膜表面上的硅含量，另一方面，从27.5％增加了薄膜的浸涂和真空等离子，在膜中以34.7％的常压等离子体沉积。
该Si2p大气等离子体薄膜的结合能高于预期，显示一个值（103.2 eV），这与IRRAS的测量相一致。事实上，从XPS数据表明，BTSE薄膜的大气等离子体比那些采用真空等离子体氧化和浸涂沉积，以及相应的红外光谱显示了硅O —Si的转变在1250 -1000cm- 1伸缩振动，揭示较高的氧化状态。与此相反，在1270cm-1硅甲基带衰减，表明了甲基组和相应的一氧化脱除的碳原子浓度由X射线光电子能谱表明，减少。一个C—H键上缺席2950cm-1拉伸还提供了证据支持关于优惠的有机物质损失薄膜的常压等离子体。
对BTSE薄膜的特点，也是研究利用曲线的Si2p核心层峰拟合。该Si2p峰分解为四个组成部分（图8）根据亚历山大等人描述的方法[34]。该峰的演变见表3。在102.1 ± 0.1 eV是指定给组件绑定到两个氧原子的硅R2Si（— O）2 [34]，在102.8 ± 0.1 eV到组件绑定到三个氧原子的硅R2Si（—O）3 [34]和在103.4 ± 0.1 eV是一个必然要分配给四个氧原子硅（—O）4 [34]。在BTSE薄膜浸涂沉积，组件R2Si（—O）的2 86％，而在血浆BTSE薄膜的真空等离子沉积的主要组成部分是R2Si（—O）的3（94％）。在等离子体BTSE薄膜常压等离子体沉积的R2Si（—O）3和氧化硅组件（—O）分别是56.5%和43.4％
碳和氧浓度的大气沉降同步增加。Si - O键比那些富裕沉积byvacuumplasma氧化膜的形成和浸涂这点。电化学阻抗谱进行了初步的浸涂样本，以检查如何BTSE的存在影响了裸基材的阻隔性能。该测试是在沉浸在NaSO4和关注是在他们中间频率范围，在这种类型的涂层阻隔性能，通常发现[36]行为集中样本。
图9显示阻抗模量（Bode图）的未涂布基材（由其characteristicnative氧化铝盖）和衬底倾角与BTSE涂层。一个显着的差异可以在两个样本中观察到的频率范围内（图中圆圈部分）。这是一个均匀的铝是由浸塑硅烷层，从而确保良好的阻隔性能覆盖指示。 EIS的测试正在进行之中，尚未对大气和真空等离子硅烷膜进行。对初步电化学阻抗谱上涂敷样品及上述调查结果，更好的阻隔性能方面的表现结果的基础上预计会在等离子体沉积涂层，特别是由于大气等离子体，高交联上述证明的结果。

图9 该基地的空白样品阻抗（博德表示）模量和
一个样品浸铝与BTSE涂层。
4. 结论
本研究的对象是各BTSE膜用三个不同的技术沉积：浸涂（水性硅烷），真空等离子体和大气等离子体。大气和真空离子镀薄膜BTSE从来没有被文献报道过。 XPS和红外光谱测量结果表明，硅在硅氧层中的沉积存在状态是不同的。IRRAS突出群体如Si—O—Si键，Si—O键—C和Si—O键和Si—CH3的群体。
XPS是用来在不同的环境中量化硅涂层的。对于浸泡涂层的Si（—O）2环境中获得高比例。血浆中的硅原子BTSE薄膜真空等离子沉积于Si（—O）3个环境中。大气等离子体方法，43％的硅原子在矽（—O）4环境中，57％是三个氧键合（Si（—O）3）。在真空等离子沉积层可以被视为更有机-无机膜，可以比得上通过浸涂获得的硅烷膜。然而，大气等离子体处理导致比Si—O键更丰富的氧化膜的形成，从而比那些采用真空等离子和无机浸涂沉积的更无机。
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