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石英化學式為SiO2,具有高度有序排列的晶格結構。石英玻璃是采用高純度的石英砂為原料制成的非晶態材料,由于Si-O化學鍵的鍵能很大,石英玻璃具有高透光率、低折射率、耐高溫、耐化學侵蝕、高硬度、高強度和耐磨損等優異性能。因此,在現代科技領域中,石英玻璃扮演著重要的角色。

在許多實際應用場景中,往往需要將兩個石英玻璃部件鍵合在一起,從而形成一個完整的系統。與金屬焊接相似,在許多應用中這種石英玻璃鍵合非常關鍵,因為它可以影響到整個系統的性能和可靠性。在高精度的應用領域中,如光學、半導體和生命科學領域,鍵合質量和穩定性尤為重要,需要采用高質量的鍵合方法和技術來保證系統的性能和可靠性。石英玻璃鍵合需要具有高強度、高精度和良好的密封性能,以適應如高溫、高壓、高真空等不同的應用環境。

低溫等離子體清洗活化在玻璃氫氧催化鍵合中的應用

等離子體清洗活化方法可以很大程度上改變玻璃表面的物理化學狀態和親水性狀態,為增強氫氧催化鍵合工藝提供幫助。更重要的是,等離子體清洗活化是一種無損、簡單、容易操作的表面改性方法。

氧等離子體活化可以穩定地降低表面粗糙度、大幅度增加表面不飽和硅氧鍵Si-O相對含量,從而大幅度改善了表面的潤濕性。這些改變都非常有利于鍵合滴涂液的鋪展,有強化工藝的理論可能。氧等離子體的處理可以在玻璃表面產生大量的斷鍵,斷鍵導致表面能大幅提升,表面活性大幅增強,系統有著向能量更低方向演化的趨勢,因此斷鍵會同游離的親水基團結合,形成Si-OH鍵,其提供的大量氫鍵位點、范德華力、毛細力等作用力共同導致石英玻璃表面親水性的大幅提升。親水性的提升可以大幅改善鍵合性能,這說明等離子體活化對氫氧催化鍵合工藝的增強有正向作用。根Si-OH為反應提供了位點,進而推動了水合和蝕刻反應。據以上結論,繪制了等離子體清洗活化對石英表面作用機理圖,如圖1所示。

圖1 等離子體清洗活化對石英玻璃表面作用機理圖

總結來說,氧等離子體清洗活化有助于鍵合滴涂液的均勻分布和潤濕鋪展,同時在表面形成了眾多的活性反應位點,在鍵合滴涂液涂覆之前就完成了水合反應過程。在鍵合之前,用氧等離子體活化石英玻璃后,表面的物理形貌、化學結構發生了改變。等離子體活化帶來的物理化學反應起到了清潔作用,去除了表面的有機污染物,沖刷材料表面突出的微觀尖峰,使材料表面的粗糙度降低。等離子體激發產生的高能離子和自由基能夠打斷表面上的化學鍵,將材料表面的Si-O-Si鍵幾乎全部轉化為Si-O鍵。這為氫氧催化鍵合帶來了巨大的好處,比如:

(1) 表面粗糙度的降低意味著表面的物理形貌更加均勻,這非常有利于鍵合滴涂液在界面中的延展和再分布,可以使固—液—固體系的組分均勻性大大增強。

(2) Si-O鍵相對含量大幅提升,在石英玻璃表面占據了主導地位。活化后,石英玻璃表面的能量非常高,不穩定的Si-O鍵會和空氣中的水分接觸并發生結合,形成大量的Si-OH氫氧基團。石英玻璃表面懸掛的活性硅羥基基團上可以通過氫鍵與水相連,在宏觀上極大地提升了親水性,在微觀上為蝕刻反應提供了大量的位點。等離子體活化處理后,表面已經存在高密度的Si-OH,在鍵合滴涂液與石英玻璃接觸之前就完成了水合反應,有利于氫氧催化鍵合系列反應的正向進行。

等離子體清洗活化對玻璃氫氧催化鍵合工藝影響機理

等離子體活化對氫氧催化鍵合工藝影響的示意圖如圖2所示。氧等離子體活化石英玻璃表面后,表面的污染物被去除,表面材料被激活,表面能大幅提高。材料表面幾乎全部的Si-O-Si鍵斷開轉化為Si-O鍵。Si-O鍵和空氣中的水分反應生成了Si-OH結構,在表面高密度懸掛。微觀角度上講:高密度的Si-OH為氫氧催化鍵合系列反應提供了反應位點,水合過程提前完成,為后續的蝕刻、聚合反應進行提供便利。宏觀角度上講:Si-OH的存在大幅改善了表面的親水性,使鍵合滴涂液均勻鋪展,鍵合滴涂液的均勻分布使形成的界面質地均勻,減少了界面微缺陷。質地均勻的介質層保證了光學性能良好,界面微缺陷數量少保證了鍵合性能良好。

 圖2 等離子體活化對玻璃氫氧催化鍵合工藝影響的示意圖 

基于上述原因,等離子體清洗活化可以穩定、普適、無損地改善玻璃氫氧催化鍵合效果。