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

大連民族大學物理與材料工程學院 遼寧 大連 116600

1 引言

隨著薄膜材料和薄膜技術研究和應用的不斷深入，不同應用領域對薄膜的制備方法和使用性能提出了更高和更迫切的需求[1-4]。空心光纖與實心光纖相比具有信號損耗小的特點。因此空芯光纖有廣泛的應用。本實驗就是在空心光纖中沉積氟碳薄膜并且優化折射率參數，以減少光信號在傳輸中的損耗。

2 實驗裝置介紹

圖1是大氣壓低溫等離子體在空心光纖中沉積薄膜的實驗裝置圖。本實驗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，石英光纖內徑50微米，外徑200微米。

圖1 實驗裝置圖

3 實驗結果討論與分析

3.1 電流電壓結果分析 放電電極兩級之間的電壓大量增加的時候，放電電流也會隨著改變；當施加的電壓增加到某一數值時，放電電流就會驟然增大，于是放電就從湯生放電突然過度到一種自持放電，這種現象就稱為氣體擊穿圖2。圖中可以看出在電壓上升的半個周期內電流脈沖的方向是向下的，而在電壓下降的半個周期內電流脈沖的方向是向上的。一些正離子和電子會積累在空芯光纖內壁的表面，然后形成一個與原有電場方向相反的電場，這個“網狀”的電場在放電的過程中會迅速的衰減。

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%，這是因為在放電電極附近產生的電場比較強，電離的氟碳氣體更多所造成的。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，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(b)圖沉積薄膜的組成元素依次是C，F，Si，和O

3.3 光譜分析 為了進一步研究等離子體在光纖中沉積薄膜反映物種，我們測量了C4F8/He(1/99)條件下大氣壓等離子放電的光譜。如圖4所示，發射光譜主要在200nm—750nm。發射光譜分布主要分布的反應物種是 CF2(A1B1(X1A1)，N2第二激發態(C3((B3()，CN(B2(+(X2(+)，C2(d3(g(a3(u)，和激發態的He (He*)。

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

結論

通過實驗測量和分析得出：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。這些含碳物種對沉積氟碳薄膜并且對薄膜繼續生長有很大的幫助。在本實驗中使用的實驗裝置在薄膜沉積的方面有很廣泛的應用價值。