Исследование структуры тонких полисилоксановых пленок, полученных в плазме разряда, при низких температурах (стр. 2 из 2)

Полученные результаты находятся в соответствии с данными электрофизических измерений полисилоксановых пленок. Исследование влияния низких температур на диэлектрические свойства полисилоксановых пленок показало, что в области низких температур наблюдается максимум диэлектрической проницаемости и потерь.

Появление низкочастотных максимумов диэлектрической проницаемости и потерь в области низких температур связано с наличием в полимере низкомолекулярной фазы — непрореагировавшего мономера [8]. Характерно отметить, что максимум диэлектрических потерь наблюдается при —20°; возникновение в ИК-спектре поглощения полисилоксановых пленок новых полос поглощения также происходит при температуре —20°.

Представляло интерес изучить влияние условий проведения полимеризации на структуру образующихся полимерных пленок. Для этих исследований полимерные пленки получали как на поверхности электродов, так и на подложках, помещенных в плазму тлеющего разряда. При этом в ИК-спектрах всех исследованных образцов при низких температурах появляется ряд дополнительных полос (рис. 4). Наибольшее число дополнительных полос как для полимерных пленок, полученных на поверхности электродов «электродных» образцов, так и для пленок, полученных на подложках, помещенных в плазму тлеющего разряда «плазменных» образцов, возникает в области валентного антисимметричного колебания силоксановых групп —1027 см"¹ и полосы симметричных деформационных колебаний метильных групп ~1270 см^-1. Наряду с появлением новых полос при уменьшении температуры наблюдается рост интенсивности полос поглощения: среди них полоса поглощения с частотой 755 см^-1, соответствующая валентным колебаниям метилсилильных групп, полосы поглощения с частотой 1420 и 1460 см^-1, которые относят к деформационным колебаниям метильных групп, а также полосы поглощения с частотой 1600 и 1720 см^-1, относящиеся к валентным колебаниям связи С=С и С=0 соответственно.

Кроме того, в длинноволновой части спектра наблюдается рост интенсивности полос поглощения с частотой 800 и 845 см^-1, соответствующих валентным колебаниям ди- и триметилсилильных групп. В коротковолновой области появляются полосы поглощения валентных колебаний метильных групп (2901 и 2960 см^-1), а также широкая полоса поглощения с частотой 3400 см^-1, свидетельствующие о присутствии в пленке гидроксильных групп.

Исследование влияния плотности тока разряда на структуру полимерных пленок показало, что для «плазменных» образцов (рис. 4, а — в) вид спектра почти не изменялся при увеличении плотности тока разряда от 0,2 до 1 мА/см², за исключением наблюдаемого уменьшения интенсивности полос поглощения валентных симметричных (2901 см^-1) и антисимметричных колебаний (2960 см^-1) колебаний связи С—Н в метильной группе.

ИК-спектры «электродных» образцов (рис. 4, г — е), полученных при низкой плотности тока разряда (до 0,5 мА/см²), оказались идентичными спектрам поглощения «плазменных» образцов. Увеличение плотности тока разряда сопровождалось уменьшением интенсивностей полос поглощения, соответствующих валентным колебаниям групп СН₃, а также связей С=С и С=0 (1600, 1720 см^-1). При плотности тока разряда 1,0 mA/gm² практически исчезают дополнительные полосы в области валентных антисимметричных колебаний силоксановых групп и симметричных деформационных колебаний метильных групп. При этом наблюдается увеличение интенсивности полосы поглощения, соответствующей валентным антисимметричным колебаниям связи Si—О—Si, и уменьшение интенсивности полосы, относящейся к деформационным колебаниям метильных групп. Кроме того, следует также отметить, что с возрастанием плотности тока разряда происходит увеличение интенсивности полосы поглощения в области 3400 см~¹, соответствующей колебаниям гидроксильной группы.

Относительное содержание метильных групп в тонких полисилоксановых пленках может быть оценено по интенсивности соответствующих спектральных полос поглощения. Отношение оптических плотностей полос поглощения валентных групп Si—О—Si и полос поглощения колебаний метильных групп дает, таким образом, примерную оценку содержания указанных групп. Оказалось, что отношение оптических плотностей полос валентных колебаний группы Si—О—Si к оптическим плотностям полос колебаний групп СН_з. Дляполимерных пленок, полученных на электродах, .с увеличением плотности тока о т 0,5 до 1,0 мА/см² увеличивается от 1,5 до 1,8; для «плазменных» образцов отношение плотностей полос поглощения D_Si-₀-sJDcH₃оставалось практически постоянным и равным 1,55—1,59.

Такая закономерность свидетельствует о том, что в случае получения пленок на электродах при полимеризации происходит более глубокое расщепление молекул исходного кремнийорганического соединения, которое приводит к увеличению степени сшивания макромолекул. Это становится ясным, если связать изменение структуры с изменением энергии частиц, бомбардирующих растущую полимерную пленку. Энергия ионов, поступающих на электрод, достигает сотен эВ, тогда как энергия электронов и ионов, поступающих на подложку, помещенную в плазму разряда, на несколько порядков меньше.

Следует учесть существенное различие в потоках ионов, поступающих на электрод и на подложку. Значительно больший дрейфовый поток ионов, бомбардирующих электрод, может также вызвать более интенсивную деструкцию мономера.

Кроме того, изолированная подложка, помещенная в плазму тлеющего разряда, заряжена до значения «плавающего» потенциала, определяемого равновесными токами электронов и ионов на поверхности подложки [4]. Потенциал поверхности подложки относительно плазмы отрицателен в силу неизотермичности плазмы тлеющего разряда. Поле у поверхности подложки, образованное «плавающим» потенциалом, и ускоряющее положительные ионы значительно слабее полей в приэлектродных областях. Поэтому энергия и плотность тока ионов, поступающих на изолированную подложку, меньше энергии и плотности тока ионов, поступающих на электроды.

Таким образом, изменение плотности тока разряда практически не приводит к существенным структурным изменениям в «плазменных» образцах, в то время как структура «электродных» образцов в значительной степени зависит от условий проведения полимеризации.

Данные спектрометрических исследований и результаты элементного состава полисилоксановых пленок, полученных на поверхности электродов и на подложках, помещенных в плазму разряда, показали общую закономерность — наличие кислорода в полимерных пленках. Аналогичное явление наблюдали в работе [9]. Оно может быть связано с окислением пленок на воздухе, а также с поглощением пленкой паров воды. Не исключено, что адсорбированная вода влияет на протекание в пленке вторичных процессов, приводящих к изменению структуры первичного полимера.

Кроме того, в ИК-спектре полимерной пленки, полученной на поверхности электрода, обнаружена широкая полоса поглощения в области 3400 см^-1, соответствующая гидроксильным группам, и полоса поглощения при 1720 см^-1, что указывает на присутствие в пленке карбонильных групп. Образование этих групп, вероятно, связано с наличием в пленке свободных радикалов [10], которые подвергаются перекисному окислению кислородом воздуха. Не исключена возможность присоединения кислорода по двойным связям полимерных молекул [11]. Если предположить, что полимеры, полученные в тлеющем разряде, имеют радикальные дислокации, то доступ кислорода вполне возможен. Такие дислокации быстро реагируют с кислородом, образуя перекисные радикалы.

Одним из возможных путей повышения стабильности свойств пленок является термическая обработка их в вакууме, так как в этих условиях происходит рекомбинация свободных радикалов, термическая деструкция макромолекул с преимущественным отщеплением кислородсодержащих групп.

Рис. 5. ИК-спектр полисилоксановой пленки при —196°: а — исходная пленка, 6 — после нагревания в атмосфере водорода при 250° 30 мин, в - после нагревания в вакууме (=5-10—³ Па) при 25СГ 30 мин

С целью изучения условий стабилизации свойств полимерных пленок, полученных в межэлектродном пространстве, образцы нагревали в вакууме при давлении 5 10~³ Па и температуре 250° в течение 30 мин и регистрировали ИК-спектры при температуре—196°. Оказалось, что такая обработка образца приводит к исчезновению дополнительных полос поглощения с частотой 1084 и 1142 см^-1 и полосы поглощения с частотой 3400 см^-1, соответствующей гидроксильной группе в полимере (рис. 5).

Следует указать, что после нагревания полисилоксановой пленки в атмосфере водорода при 250° в течение 30 мин в ИК-спектре наблюдается понижение интенсивности полосы в области 1260 см^-1, характерной для деформационных колебаний метальной группы, связанной с атомом кремния, а также полное исчезновение полос поглощения с частотой 1340, 1125 и 1142 см^-1. Уменьшение содержания метальных групп может быть обусловлено их частичным отрывом, в результате чего происходит дополнительное сшивание макромолекул, сопровождающееся структурными перестройками в полимере. После выдерживания полимерных пленок в течение 1 месяца на воздухе не было обнаружено никаких видимых изменений рассматриваемых спектральных полос, что может быть связано с дополнительным структурированием полимера и исчезновением непрореагировавшего мономера в пленке. Однако следует отметить, что нахождение пленок на воздухе сопровождалось увеличением интенсивности полосы поглощения с частотой 3400 см^-1 до первоначального значения. Это указывает на обратимую адсорбцию влаги поверхностью пленки из атмосферы воздуха.

ЛИТЕРАТУРА

1.Ткачук Б. В., Марусий Н. Я., Лауре Е. П., Маторин Е. М. Высокомол. соед. А, 1974, т. 16, № 7, с. 1604.

2.Ткачук Б. В., Шустов А. И. Химия высоких энергий, 1975, т. 9, с. (468.

3.Ткачук Б. В., Колотыркин В. М., Кирей Г. Г. Высокомолек. соед. А, 1968, т. 10, № 3, с. 585.

4.Ткачук Б. В., Колотыркин В. М. Получение тонких полимерных пленок из газовой фазы. М.: Химия, 1977.

5.Калюжный В. М., Картужанский А. Л., Ткачук Б. В., Цендровский В. А. Ж. научи, и прикл. фотографии и кинематографии, 1978, т. 23, № 2, с. 108.

6.Лазарев А. Н., Тенишева Т. Ф. Оптика и спектроскопия, 1965, т. 8, вып. 2, с. 217.

7.Grebovicz J., Pakula Т., Wrobel А. М., Kryszewski М. Thin Solid Films, 1980, v. 65, № 3, p. 351.

8.Ткачук Б. В., Кобцев Ю. Д., Лауре Е. П., Михальченко В. И. Электротехн. пром-сть. Сер. Материалы, 1977, вып. 1, с. 8.

9.Гильман А. Б., Колотыркин В. М., Туницкий Н. Н. Кинетика и катализ, 1970, т. 11,№ 5, с. 1267.

10. Ткачук Б. В., Ганюк Л. Н., Лауре Е. П. Химия высоких энергий, 1977, т. 11, № 5, с. 350.

11. Романенко Е. А., Ткачук Б. В. Ж. прикл. спектроскопии, 1973, т. 18, № 2, с. 551.