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采用氢等离子体浸没离子注入方法,研究不同的脉冲波形形状及方波注入顺序条件下Kapton-H薄膜的光学性能变化,通过Particle in cell(PIC)数值模拟来分析不同波形条件及方波注入顺序下氢离子束的通量密度-能量分布,利用AFM、FTIR和XPS分析不同波形形状和方波注入顺序下试样光学性能变化的机理。 本文自行研制了可输出脉冲方波和阶梯波的脉冲高压电源。采用全固态Marx发生器作为高压电路的主电路,通过独立控制每个放电IGBT开关的导通与关断,产生了阶梯型的脉冲波形。在IGBT驱动电路设计中,采用CD4013和CD4098芯片,实现了每个放电IGBT开关的单独可控,并采用设计的脉冲展宽电路,使控制变压器的体积减小,同时脉冲展宽电路引入了反向脉冲栅压,提高了电路的抗干扰能力和过流保护速度,使电源工作稳定。电阻负载及等离子体负载测试结果表明,电源输出脉冲电压峰值30 kV,峰值电流20 A,脉冲宽度10-50μs,可输出方波、上升沿阶梯波、下降沿阶梯波及上升-下降沿阶梯波,阶梯数目可达15阶。电源工作稳定,能够可靠抵抗短路和“打火”情况下的大电流冲击。 PIC数值模拟结果显示,方波脉冲条件下,随着上升沿时间的增加,氢离子累积入射数量略有减小,且高能氢离子含量呈下降趋势,而低能氢离子仅在上升沿阶段产生。电压幅值分别为10 kV、15 kV、20 kV和25 kV时,随着电压幅值的增加,等离子体鞘层扩展的更快,入射氢离子能量增加,同时能够获得更大的累积入射数量。通量密度-能量分布显示,高能氢离子所占的比例较大,约为80％。脉冲宽度分别为10μs、20μs、30μs和40μs时,随着脉冲宽度的增加,氢离子累积入射数量增加,高能氢离子所占的比例随之增加。电压幅值25 kV三阶上升沿阶梯波条件下,获得了连续能量的氢离子束,且与每一阶梯电压值相对应能量的氢离子通量密度较高,并且随着电压阶梯的增加,通量密度呈现增加的趋势。与方波拟合时相比,三阶上升沿阶梯波条件下,每个电压阶梯相对应能量的高能离子比例更高,能够获得品质更好的三种单能离子束。 方波氢离子注入后,Kapton-H试样的光学透过率变化主要发生在可见光范围内。电压幅值分别为10 kV、15 kV、20 kV和25 kV时,随着电压幅值的增加,氢离子束流密度及累积入射数量快速增加,试样光学透过率下降明显。增加脉冲宽度、注入时间及氢气气压,氢离子束流密度及累积入射数量随之增加,透过率总体呈现下降的趋势。随着电压幅值、脉冲宽度和氢气气压的增加,接触角总体呈现增加的趋势。25 kV方波注入时间分别为10 min、20 min、30 min和40 min时,试样接触角总体上均低于基体。AFM结果表明,随着电压幅值的增加,试样表面形貌经历了产生大量“指状”突起,再到“指状”突起逐渐消失的过程,试样表面粗糙度先降低后增加。电压幅值分别为10 kV时和25 kV时,试样的表面粗糙度基本相同,但是10 kV时的高粗糙度值是由“指状”突起造成的,而25 kV时粗糙度较高则是由“地毯”状形貌造成的。方波注入顺序为5-10-15 kV和15-10-5 kV时,分别获得了最大和最小的光学透过率变化,变化注入时间,5-10-15 kV条件下试样的光学透过率变化也更加明显。 上升沿阶梯波、下降沿阶梯波及上升-下降沿阶梯波三种阶梯波条件下,阶梯数目分别为2、3、5和8时,其对试样透过率的影响不明显。阶梯波数目为三阶时,三种阶梯波条件下,随着脉冲电压幅值和注入时间的增加,试样光学透过率都呈现单调下降的趋势,而脉冲宽度和氢气气压的变化对透过率的影响相对较小。采用三阶上升沿阶梯波进行氢离子注入,脉冲电压幅值为10 kV时,与基体相比,试样表面变得粗糙,且有大量“指状”突起产生。随着电压幅值的进一步增加,试样表面“指状”突起的数目和高度均减小,且试样表面的粗糙度不断降低,电压幅值达到25 kV时,试样表面的粗糙度已经小于基体。采用三阶上升沿阶梯波氢离子注入后,试样的接触角总体上较基体试样减小。 ATR-FTIR透过光谱分析结果表明,氢离子注入后均没有造成试样体材料物理性质的改变。XPS分析表明,氢离子注入后,C元素含量增加,N元素含量减少,方波及三阶上升沿阶梯波注入条件下,O含量减少,方波不同注入顺序条件下,O元素含量和基体试样相当。25 kV方波注入情况下,注入时间分别为20 min和40 min时,随着注入时间的增加,O元素含量增加,C和N元素含量减少,阶梯波注入情况下,随着注入时间的增加,C元素含量增加,O和N元素含量减少。 氢离子注入后,发生了C-N、C-O-C和C=O的断键,同时也发生了苯环和酰亚胺环的开环反应,形成了大量的C自由基。方波氢离子注入时,发生了大量的苯环开环反应,形成了C双键长链分子结构及-N=C=O双键结构,使试样的光学透过率下降。与方波注入顺序15-10-5 kV时相比,5-10-15 kV时苯环开环反应剧烈,形成 C双键长链分子结构,使试样光学透过率下降明显。阶梯波氢离子注入条件下,PMDA中形成了更多的苯环结构,而苯环的开环反应较弱,随着注入时间的增加,苯环的开环反应增强,使光学透过率进一步下降。三阶上升沿阶梯波及方波拟合氢离子注入后的XPS分析结果表明,方波拟合条件下,Kapton-H试样表层发生了更加强烈的化学结构变化,包含大量的苯环开环,C自由基形成,及在空气中更加强烈的吸氧作用,从而导致方波拟合时,Kapton-H试样的光学透过率下降更明显。