Wirkungsweise eines Plasmas auf Oberflächen
Für die Oberflächenmodifizierung eignet sich sowohl die Niederdruck-Plasmatechnik als auch die Atmosphärendruck-Plasmatechnik, die beide am Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung eingesetzt werden. Prinzipiell sind die dabei an der Oberfläche ablaufenden Prozesse stets dieselben, wobei die mit einem Plasma auf einer Substratoberfläche erzielbaren Effekte sich in die Kategorien Reinigung, Aktivierung und Beschichtung einteilen lassen.
Bei der Reinigung von Substratoberflächen (Polymer, Metall, Glas, Keramik) im Plasma geht es zumeist um die Entfernung kleiner Reste von organischen Substanzen im Anschluß an eine mit einem anderen Verfahren durchgeführte Grobreinigung. Eine derartige Feinreinigung wird erreicht, indem die Oberfläche z.B. einem Sauerstoffplasma ausgesetzt wird, wobei die zu entfernende organische Substanz sich, ähnlich wie bei einer Verbrennung, mit dem O2 verbindet. Grobe Verschmutzungen können im Plasma nicht auf wirtschaftlichem Wege entfernt werden.
Im Falle der Aktivierung wird z.B. eine polymere Oberfläche einem Plasma ausgesetzt, das entweder aus inerten Gasen (Edelgase) oder aus Molekülen, die keine zur Kettenbildung befähigten Atome enthalten (z.B. N2, O2, NH3), besteht. Stets werden in der Oberfläche dabei durch die im Plasma erzeugten energiereichen Spezies, überwiegend Elektronen, energiereiche Strahlung, aber auch Ionen und angeregte Spezies, Bindungen gebrochen und reaktive Stellen erzeugt. Diese reaktiven Stellen/ (Radikale) können daraufhin miteinander reagieren und eine zusätzliche Vernetzung in der Oberflächenregion zur Folge haben. Zum Teil bleiben sie aber auch in der entstehenden höhervernetzten Oberfläche erhalten und ergeben so eine aktivierte Oberfläche, die spontan zu Folgereaktionen, z.B. mit Luftsauerstoff, befähigt ist. Bei Gasen, die keine Edelgase sind, wie N2, O2 oder NH3, können in ihnen enthaltene Atome zusätzlich in die Oberfläche eingebaut werden und so eine Veränderung der Oberflächeneigenschaften des Kunststoffes durch den Einbau neuer funktioneller Gruppen bewirken.
Effekt eines Sauerstoffplasmas
auf eine Polyethylenoberfläche
Eine Polyethylen-Oberfläche kann so zum Beispiel nach einer Behandlung im O2-Plasma Carbonyl, Hydroxyl- und andere sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen enthalten (s. Abb.). Eigenschaften wie Verklebbarkeit, Haftung von Lacken, Benetzbarkeit und Oberflächenenergie können auf diese Weise gezielt verändert werden.
Im Gegensatz dazu wird bei
einer Beschichtung auf das Substrat aus der Gasphase Material in
einer Dicke von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern aufgebracht.
Es gibt eine Vielzahl an plasmagestützten Beschichtungsverfahren,
wie z.B. die Kathodenzerstäubung ("sputtern") oder die PECVD ("plasma
enhanced chemical vapor deposition").
Am Institut für Fertigungstechnik
und Angewandte Materialforschung (IFAM) findet vor allem die Technik der
Plasmapolymerisation
Anwendung. Sie basiert darauf, daß das Prozeßgas zur Ketten-
oder Netzwerkbildung befähigte Elemente enthält (Kohlenstoff,
Silicium, Schwefel). Im Plasma wird das Ausgangsmolekül in energiereiche
Fragmente "zerschlagen", wobei die einzelnen Bruchstücke auf einer
angebotenen Oberfläche miteinander reagieren und eine mehr oder weniger
stark vernetzte Schicht aufbauen.
Im
Rahmen seiner Funktion als Dienstleister im Technologietransfer bietet
das IFAM Bremen seine Ressourcen für die Bearbeitung der oben genannten
industriellen Fragestellung bis zur Serie an. Unser Service umfaßt
Beratung, Prozeßentwicklung, Bemusterung und industrielle Einführung
durch Pilotanlagenbau.
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