Original title:
Diagnostika plazmochemických depozičních procesů s využitím organokovových sloučenin
Translated title:
Diagnostics of plasma chemical deposition processes using organometallic precursors
Authors:
Sahánková, Hana ; Dvořák, Pavel (referee) ; Krčma, František (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2011
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[cze][eng]
Tématem diplomové práce je diagnostika plazmochemických depozičních procesů s využitím organokovových sloučenin. Zástupcem organokovových sloučenin byl zvolen titanium (IV)isopropoxid, jenž je často využíván jako prekurzor pro plazmochemické depozice fotokatalytických vrstev TiO2, které nacházejí široké uplatnění v oblasti environmentálních procesů a technik, zejména k odstraňování různých polutantů. Tenké vrstvy obecně se v poslední době staly jedním z nejvyužívanějších způsobů pro povrchové úpravy materiálů. Jsou využívány jako ochranné nebo funkční vrstvy, používají se pro zlepšení povrchových vlastností materiálů jako je např. modifikace adheze k různým sloučeninám. Struktura plazmových polymerů je odlišná od klasického polymeru. Měření probíhalo na komerčním zařízení Plasmatreater AS 400. V teoretické části je popsán aparát pro studium a diagnostiku plazmochemických procesů a technologií. Jako diagnostická metoda byla zvolena optická emisní spektroskopie, proto jsou zde uvedeny její základní poznatky využité v práci. Pro diagnostiku vytvořených tenkých vrstev byla zvolena infračervená spektroskopie a rentgenová fotoelektronová spektroskopie, které jsou rovněž velmi stručně uvedeny v této části práce. Výsledková část se skládá ze dvou oddílů. První oddíl je věnován diagnostice plazmatu pomocí optické emisní spektroskopie pro výboj generovaný v dusíku a pro výboj generovaný ve vzduchu. Měření bylo prováděno při sedmi odlišných střídách a dvou různých průtocích pro každý z pracovních plynů zvlášť. V obou případech jsme identifikovali pásy dusíku prvního negativního a druhého pozitivního systému, radikálu CN, atomárního kyslíku a čar Cr a Cu pocházejících z materiálu trysky. V případě, že byl přidáván prekurzor, byly rovněž identifikovány čáry titanu a pásy TiO. Z identifikovaných čar chromu byly vypočítány elektronové teploty a sestaveny mapy elektronových teplot výboje pro kontinuální a pulzní režim se střídou 70% pro dusíkové plazma s průtokem prekursoru 500 sccm. Mapy výboje byly zpracovány rovněž pro vybranou čáru titanu (520 nm) a vybraný pás TiO (625 nm) za stejných podmínek výboje. Stejné závislosti byly dále studovány na ose výboje v dusíku i v kyslíku za průtoku prekurzoru 1000 sccm v závislosti na použité střídě. Druhý oddíl se věnuje diagnostice deponovaných tenkých vrstev. V případě infračervené spektroskopie byly identifikovány píky anatasu a rutilu. Pomocí rentgenové fotoelektronové spektroskopie jsme zjistili, že deponované vrstvy obsahovaly značné množství nedisociovaného prekursoru a na povrchu zůstávalo velké množství radikálů, které vzájemně reagovaly, a zároveň docházelo k sekundární oxidaci. Bylo ukázáno, že tyto nežádoucí procesy lze odstranit žíháním či iontovým leptáním. Všechny výsledky získané během studia depozice mohou být využity při optimalizaci procesu depozice tenkých fotokatalytických vrstev TiO2. Získané zkušenosti s diagnostikou depozičního procesu pak po detainím prostudování vytvářených vrstev umožní predikci vlastností vrstev v závislosti na depozičních podmínkách. To by mělo následně vést k získání komplexních znalostí, které povedou k širšímu využití těchto vrstev v technologické praxi.
The aim of this work is diagnostic of plasma chemical deposition thin films based on organometallic precursors. Thin layers have recently become one of the most used methods for surface treatment of materials. They are used as a protective, functional layer, they improve surface properties of materials or increase or reduce the adhesion to various compounds. Plasma polymers are a modern trend in surface treatment technology. Their structure is different from classical polymers. The titanium (IV)isopropoxide was chosen as a monomer example, which is frequently used as a monomer for photocatalytic TiO2 films plasma deposition. These thin films are very promising for the removal of various air and water pollutants and thus they can significantly help in the increase of the environmental quality. Measurements took place on a commercial device Plasmatreater AS 400. The theoretical part describes the background needed for the study and diagnostics of plasma processes and technologies. The optical emission spectroscopy was chosen as a diagnostic method, and thus its principles are outlined in the theoretical part. Infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy were applied for the diagnostics of prepared thin films and they are also described in the theoretical part. The experimental part contains two sections. The first section is dedicated to the plasma diagnostics by optical emission spectroscopy. Discharge was generated in nitrogen or in the air. Measurements were performed at seven different duty cycles and at two different flow rates for each of the working gases. The molecular bands of nitrogen first negative and second systems, CN violet bands, and atomic lines of oxygen and nozzle elements (Cu, Cr) were identified in the spectra. The titanium lines, and bands of TiO were determined if the precursor was added. Electron temperature was calculated using chromium lines, and electron temperature maps were obtained for continuous mode and pulse mode with duty cycle 70% for nitrogen plasma with 500 sccm precursor flow. Similar discharge maps were also processed using the selected line of titanium (520 nm) TiO band (625 nm) again for the same discharge conditions. Furthermore, the dependences of the same quantities were obtained along the discharge axis as a function of duty cycle in both gases with precursor flow of 1000 sccm. The second part of results brings material analyzes of the deposited samples. The peaks of anatase and rutile have been identified by infrared spectroscopy. Using X-ray photoelectron spectroscopy, we found that our layers contain a significant amount of non-dissociated precursor. Moreover, a large number of radicals, which can interact with atmospheric gases, was determined on the surface. These radicals are removable by annealing or by ion etching. All results obtained during this research can significantly help us to improve the quality of deposited layers and allow us also some prediction of the thin film properties at given plasma conditions. Of course, further experimental as well as theoretical studies should be completed to obtain complete knowledge needed for the wide applications of these layers.
Keywords:
infrared spectroscopy; optical emission spectroscopy; Plasmochemical deposition; titanium (IV) isopropoxide; titanium dioxide.; X-ray photoelectron spectroscopy; infračervená spektroskopie; optická emisní spektroskopie; oxid titaničitý.; Plasmochemická depozice; rentgenová fotoelektronová spektroskopie; titanium (IV) isopropoxid
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/6194
guest ::
