大气低温等离子体在空心石英管中的薄膜沉积

宋佳琦 丁 炜 季龙飞

大连民族大学物理与材料工程学院 辽宁 大连 116600

1 引言

随着薄膜材料和薄膜技术研究和应用的不断深入，不同应用领域对薄膜的制备方法和使用性能提出了更高和更迫切的需求[1-4]。空心光纤与实心光纤相比具有信号损耗小的特点。因此空芯光纤有广泛的应用。本实验就是在空心光纤中沉积氟碳薄膜并且优化折射率参数，以减少光信号在传输中的损耗。

2 实验装置介绍

图1是大气压低温等离子体在空心光纤中沉积薄膜的实验装置图。本实验装置是在空心石英光纤外壁高低相间紧密缠绕放电电极，通入He与C4F8(He与C4F8的比例为99：1)混合气体，施加正弦交流电，放电电压峰峰值为10 k V，放电频率5 k Hz，石英光纤内径50微米，外径200微米。

图1 实验装置图

3 实验结果讨论与分析

3.1 电流电压结果分析 放电电极两级之间的电压大量增加的时候，放电电流也会随着改变；当施加的电压增加到某一数值时，放电电流就会骤然增大，于是放电就从汤生放电突然过度到一种自持放电，这种现象就称为气体击穿图2。图中可以看出在电压上升的半个周期内电流脉冲的方向是向下的，而在电压下降的半个周期内电流脉冲的方向是向上的。一些正离子和电子会积累在空芯光纤内壁的表面，然后形成一个与原有电场方向相反的电场，这个“网状”的电场在放电的过程中会迅速的衰减。

图.2 使用c-C4 F8/He(1/99)作为放电气体的大气压微等离子电流电压波形。

3.2 沉积结果讨论 图3是用c-C4F8/He(1/99)在空心光纤放电60分钟后取中间一段光纤截面的电子显微镜照片，通过扫描电子显微镜的观察，在石英管不同的位置沉积的氟碳膜厚度大概相差20%—30%，这是因为在放电电极附近产生的电场比较强，电离的氟碳气体更多所造成的。我们又采集了相同位置的能谱，如图5(c)—5(f)，按照排列顺序图中表示的元素依次是C，F，Si，和O。

图3 (a)为扫描电子显微镜下空芯光纤横截面示意图。(b)为在大气压条件下通入气体1/99c-C4 F8/He沉积氟碳薄膜后的光纤截面图。(c)-(f)是检测(b)图沉积薄膜的组成元素依次是C，F，Si，和O

3.3 光谱分析 为了进一步研究等离子体在光纤中沉积薄膜反映物种，我们测量了C4F8/He(1/99)条件下大气压等离子放电的光谱。如图4所示，发射光谱主要在200nm—750nm。发射光谱分布主要分布的反应物种是 CF2(A1B1(X1A1)，N2第二激发态(C3((B3()，CN(B2(+(X2(+)，C2(d3(g(a3(u)，和激发态的He (He*)。

图4 大气压条件下通入气体1/99c-C4 F8/He放电产生等离子体的光谱图

结论

通过实验测量和分析得出：微等离子体可以在空心光纤中沉积薄膜。通过光谱仪分析电离的c-C4F8/He中有大量的含碳物种。这些含碳物种对沉积氟碳薄膜并且对薄膜继续生长有很大的帮助。在本实验中使用的实验装置在薄膜沉积的方面有很广泛的应用价值。