脈沖形狀及時序?qū)潆x子注入Kapton光學(xué)性能影響研究.pdf

1、采用氫等離子體浸沒離子注入方法,研究不同的脈沖波形形狀及方波注入順序條件下Kapton-H薄膜的光學(xué)性能變化,通過Particle in cell(PIC)數(shù)值模擬來分析不同波形條件及方波注入順序下氫離子束的通量密度-能量分布,利用AFM、FTIR和XPS分析不同波形形狀和方波注入順序下試樣光學(xué)性能變化的機(jī)理。
　　本文自行研制了可輸出脈沖方波和階梯波的脈沖高壓電源。采用全固態(tài)Marx發(fā)生器作為高壓電路的主電路,通過獨(dú)立控制每個放

2、電IGBT開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷,產(chǎn)生了階梯型的脈沖波形。在IGBT驅(qū)動電路設(shè)計中,采用CD4013和CD4098芯片,實(shí)現(xiàn)了每個放電IGBT開關(guān)的單獨(dú)可控,并采用設(shè)計的脈沖展寬電路,使控制變壓器的體積減小,同時脈沖展寬電路引入了反向脈沖柵壓,提高了電路的抗干擾能力和過流保護(hù)速度,使電源工作穩(wěn)定。電阻負(fù)載及等離子體負(fù)載測試結(jié)果表明,電源輸出脈沖電壓峰值30 kV,峰值電流20 A,脈沖寬度10-50μs,可輸出方波、上升沿階梯波、下降沿階梯波

3、及上升-下降沿階梯波,階梯數(shù)目可達(dá)15階。電源工作穩(wěn)定,能夠可靠抵抗短路和“打火”情況下的大電流沖擊。
　　PIC數(shù)值模擬結(jié)果顯示,方波脈沖條件下,隨著上升沿時間的增加,氫離子累積入射數(shù)量略有減小,且高能氫離子含量呈下降趨勢,而低能氫離子僅在上升沿階段產(chǎn)生。電壓幅值分別為10 kV、15 kV、20 kV和25 kV時,隨著電壓幅值的增加,等離子體鞘層擴(kuò)展的更快,入射氫離子能量增加,同時能夠獲得更大的累積入射數(shù)量。通量密度-能量分

4、布顯示,高能氫離子所占的比例較大,約為80％。脈沖寬度分別為10μs、20μs、30μs和40μs時,隨著脈沖寬度的增加,氫離子累積入射數(shù)量增加,高能氫離子所占的比例隨之增加。電壓幅值25 kV三階上升沿階梯波條件下,獲得了連續(xù)能量的氫離子束,且與每一階梯電壓值相對應(yīng)能量的氫離子通量密度較高,并且隨著電壓階梯的增加,通量密度呈現(xiàn)增加的趨勢。與方波擬合時相比,三階上升沿階梯波條件下,每個電壓階梯相對應(yīng)能量的高能離子比例更高,能夠獲得品質(zhì)更

5、好的三種單能離子束。
　　方波氫離子注入后,Kapton-H試樣的光學(xué)透過率變化主要發(fā)生在可見光范圍內(nèi)。電壓幅值分別為10 kV、15 kV、20 kV和25 kV時,隨著電壓幅值的增加,氫離子束流密度及累積入射數(shù)量快速增加,試樣光學(xué)透過率下降明顯。增加脈沖寬度、注入時間及氫氣氣壓,氫離子束流密度及累積入射數(shù)量隨之增加,透過率總體呈現(xiàn)下降的趨勢。隨著電壓幅值、脈沖寬度和氫氣氣壓的增加,接觸角總體呈現(xiàn)增加的趨勢。25 kV方波注入時

6、間分別為10 min、20 min、30 min和40 min時,試樣接觸角總體上均低于基體。AFM結(jié)果表明,隨著電壓幅值的增加,試樣表面形貌經(jīng)歷了產(chǎn)生大量“指狀”突起,再到“指狀”突起逐漸消失的過程,試樣表面粗糙度先降低后增加。電壓幅值分別為10 kV時和25 kV時,試樣的表面粗糙度基本相同,但是10 kV時的高粗糙度值是由“指狀”突起造成的,而25 kV時粗糙度較高則是由“地毯”狀形貌造成的。方波注入順序?yàn)?-10-15 kV和1

7、5-10-5 kV時,分別獲得了最大和最小的光學(xué)透過率變化,變化注入時間,5-10-15 kV條件下試樣的光學(xué)透過率變化也更加明顯。
　　上升沿階梯波、下降沿階梯波及上升-下降沿階梯波三種階梯波條件下,階梯數(shù)目分別為2、3、5和8時,其對試樣透過率的影響不明顯。階梯波數(shù)目為三階時,三種階梯波條件下,隨著脈沖電壓幅值和注入時間的增加,試樣光學(xué)透過率都呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢,而脈沖寬度和氫氣氣壓的變化對透過率的影響相對較小。采用三階上升沿

8、階梯波進(jìn)行氫離子注入,脈沖電壓幅值為10 kV時,與基體相比,試樣表面變得粗糙,且有大量“指狀”突起產(chǎn)生。隨著電壓幅值的進(jìn)一步增加,試樣表面“指狀”突起的數(shù)目和高度均減小,且試樣表面的粗糙度不斷降低,電壓幅值達(dá)到25 kV時,試樣表面的粗糙度已經(jīng)小于基體。采用三階上升沿階梯波氫離子注入后,試樣的接觸角總體上較基體試樣減小。
　　ATR-FTIR透過光譜分析結(jié)果表明,氫離子注入后均沒有造成試樣體材料物理性質(zhì)的改變。XPS分析表明,氫

9、離子注入后,C元素含量增加,N元素含量減少,方波及三階上升沿階梯波注入條件下,O含量減少,方波不同注入順序條件下,O元素含量和基體試樣相當(dāng)。25 kV方波注入情況下,注入時間分別為20 min和40 min時,隨著注入時間的增加,O元素含量增加,C和N元素含量減少,階梯波注入情況下,隨著注入時間的增加,C元素含量增加,O和N元素含量減少。
　　氫離子注入后,發(fā)生了C-N、C-O-C和C=O的斷鍵,同時也發(fā)生了苯環(huán)和酰亞胺環(huán)的開環(huán)反

10、應(yīng),形成了大量的C自由基。方波氫離子注入時,發(fā)生了大量的苯環(huán)開環(huán)反應(yīng),形成了C雙鍵長鏈分子結(jié)構(gòu)及-N=C=O雙鍵結(jié)構(gòu),使試樣的光學(xué)透過率下降。與方波注入順序15-10-5 kV時相比,5-10-15 kV時苯環(huán)開環(huán)反應(yīng)劇烈,形成 C雙鍵長鏈分子結(jié)構(gòu),使試樣光學(xué)透過率下降明顯。階梯波氫離子注入條件下,PMDA中形成了更多的苯環(huán)結(jié)構(gòu),而苯環(huán)的開環(huán)反應(yīng)較弱,隨著注入時間的增加,苯環(huán)的開環(huán)反應(yīng)增強(qiáng),使光學(xué)透過率進(jìn)一步下降。三階上升沿階梯波及方波