Deposition and adsorption of organic matter in the sub-monolayer range studied by experimental and numerical techniques

Abstract

Les traitements plasma présentent un outil efficace, économique et écologique pour la fonctionnalisation de surfaces. Pour cette technique, l’étude du dépôt et de l’adhésion de molécules et précurseurs dans le régime de la sous-monocouche présente un intérêt majeur, car elle définit les propriétés de la surface et l’adhésion de la couche déposée sur le substrat. L’adhésion des molécules lors de la phase initiale du dépôt est contrôlée par les espèces dans le plasma ainsi que par leurs distributions énergétiques et angulaires. Dans le cadre de ce projet, une approche multidisciplinaire combinant calculs DFT et techniques expérimentales pour la préparation et la caractérisation des dépôts dans la sous-monocouche a été utilisée. Des dépôts de PS et PMMA, préparés par bombardement d’Ar sur une surface d’Ag, ont été caractérisés par XPS et ToF-SIMS. La quantité de matière déposée augmente bien avec le temps de dépôt, ou la dose d’irradiation. Les analyses par TOF-SIMS ont également montré que la proportion des grands fragments augmente au détriment des petits. Ceci est contraire aux résultats attendus et peut seulement être expliqué par la recombinaison de petits fragments sur la surface du collecteur. Cette hypothèse est supporté des calculs DFT qui ont montré que l’énergie d’adsorption des petits fragments est plus grande que celle des grands et, par conséquent, leur probabilité d’adsorption doit être également plus élevée. Les calculs DFT ont été étendus sur d’autres substrats, notamment du Si, Pt et Al2O3 et ont montrés que l’énergie d’adhésion est la plus élevée sur Si et Pt

Plasma surface treatments present an efficient, economical and ecological tool for surface functionalization. For this technique the deposition and adhesion of molecules and precursors in the sub-monolayer range are of utmost interest, since this layer defines the surface properties and the adhesion between deposit and substrate. The species in the plasma and their energy and angular distributions control the deposition process. To get insights into the latter, a multidisciplinary approach combining DFT calculations with experimental techniques is used for the preparation and characterisation of sub-monolayer deposits of PS and PMMA. The deposits are prepared by sputter deposition using an Ar beam and analysed by ToF-SIMS and XPS. The amount of deposited matter increases well with deposition time or fluence. ToF-SIMS analyses showed also that the proportion of large fragments on the collector surface is increasing with fluence, although the opposite was expected. This can only be explained by the recombination of smaller fragments to form larger ones. This hypothesis is supported by DFT calculations which showed that the adsorption energy, and hence the adsorption probability, is higher for the small fragments than for the large ones. DFT calculations have been extended to Si, Pt and Al2O3 substrates, showing that adsorption energies are highest for Si and Pt