大氣低溫等離子體在空心石英管中的薄膜沉積

宋佳琦 丁 煒 季龍飛

大連民族大學(xué)物理與材料工程學(xué)院 遼寧 大連 116600

1 引言

隨著薄膜材料和薄膜技術(shù)研究和應(yīng)用的不斷深入，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ∧さ闹苽浞椒ê褪褂眯阅芴岢隽烁吆透惹械男枨骩1-4]?？招墓饫w與實(shí)心光纖相比具有信號(hào)損耗小的特點(diǎn)。因此空芯光纖有廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)就是在空心光纖中沉積氟碳薄膜并且優(yōu)化折射率參數(shù)，以減少光信號(hào)在傳輸中的損耗。

2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

圖1是大氣壓低溫等離子體在空心光纖中沉積薄膜的實(shí)驗(yàn)裝置圖。本實(shí)驗(yàn)裝置是在空心石英光纖外壁高低相間緊密纏繞放電電極，通入He與C4F8(He與C4F8的比例為99：1)混合氣體，施加正弦交流電，放電電壓峰峰值為10 k V，放電頻率5 k Hz，石英光纖內(nèi)徑50微米，外徑200微米。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析

3.1 電流電壓結(jié)果分析 放電電極兩級(jí)之間的電壓大量增加的時(shí)候，放電電流也會(huì)隨著改變；當(dāng)施加的電壓增加到某一數(shù)值時(shí)，放電電流就會(huì)驟然增大，于是放電就從湯生放電突然過(guò)度到一種自持放電，這種現(xiàn)象就稱為氣體擊穿圖2。圖中可以看出在電壓上升的半個(gè)周期內(nèi)電流脈沖的方向是向下的，而在電壓下降的半個(gè)周期內(nèi)電流脈沖的方向是向上的。一些正離子和電子會(huì)積累在空芯光纖內(nèi)壁的表面，然后形成一個(gè)與原有電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，這個(gè)“網(wǎng)狀”的電場(chǎng)在放電的過(guò)程中會(huì)迅速的衰減。

圖.2 使用c-C4 F8/He(1/99)作為放電氣體的大氣壓微等離子電流電壓波形。

3.2 沉積結(jié)果討論 圖3是用c-C4F8/He(1/99)在空心光纖放電60分鐘后取中間一段光纖截面的電子顯微鏡照片，通過(guò)掃描電子顯微鏡的觀察，在石英管不同的位置沉積的氟碳膜厚度大概相差20%—30%，這是因?yàn)樵诜烹婋姌O附近產(chǎn)生的電場(chǎng)比較強(qiáng)，電離的氟碳?xì)怏w更多所造成的。我們又采集了相同位置的能譜，如圖5(c)—5(f)，按照排列順序圖中表示的元素依次是C，F(xiàn)，Si，和O。

圖3 (a)為掃描電子顯微鏡下空芯光纖橫截面示意圖。(b)為在大氣壓條件下通入氣體1/99c-C4 F8/He沉積氟碳薄膜后的光纖截面圖。(c)-(f)是檢測(cè)(b)圖沉積薄膜的組成元素依次是C，F(xiàn)，Si，和O

3.3 光譜分析 為了進(jìn)一步研究等離子體在光纖中沉積薄膜反映物種，我們測(cè)量了C4F8/He(1/99)條件下大氣壓等離子放電的光譜。如圖4所示，發(fā)射光譜主要在200nm—750nm。發(fā)射光譜分布主要分布的反應(yīng)物種是 CF2(A1B1(X1A1)，N2第二激發(fā)態(tài)(C3((B3()，CN(B2(+(X2(+)，C2(d3(g(a3(u)，和激發(fā)態(tài)的He (He*)。

圖4 大氣壓條件下通入氣體1/99c-C4 F8/He放電產(chǎn)生等離子體的光譜圖

結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析得出：微等離子體可以在空心光纖中沉積薄膜。通過(guò)光譜儀分析電離的c-C4F8/He中有大量的含碳物種。這些含碳物種對(duì)沉積氟碳薄膜并且對(duì)薄膜繼續(xù)生長(zhǎng)有很大的幫助。在本實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)裝置在薄膜沉積的方面有很廣泛的應(yīng)用價(jià)值。