Обзор
Полисилазан представляет собой высокоактивный полимер с Si-N-связью в качестве основной цепи, способный к сильным реакциям с водой, кислородом и различными полярными веществами. Этот материал широко используется в керамической, авиационной, аэрокосмической и лакокрасочной промышленности. По своей структуре полисилазаны можно разделить на две категории: органические и неорганические. Боковые цепи органических полисилазанов содержат органические группы, в то время как неорганические полисилазаны, также известные как цегидрополисилазаны или PHPS, содержат только три элемента: кремний, азот и водород. PHPS в основном используется для изготовления керамических предшественников и теплоизоляционных материалов из-за простой структуры и высокой рыночной стоимости. PHPS не содержит органических групп и, следовательно, может быть преобразован при более низких температурах различными способами и имеет хорошую адгитивность к подложке. Преобразованные характеристики покрытия включают в себя коррозионную стойкость, устойчивость к высоким и низким температурам, газовую изоляцию, длительную долговечность, прозрачность и устойчивость к царапанию, и поэтому они широко используются для получения покрытий. В важной отрасли современной науки, такой как оптоэлектронная технология, разработка технологии покрытия является сложной задачей, в то время как технология покрытия PHPS играет решающую роль в улучшении характеристик оптоэлектронного оборудования и решении ключевых технических проблем в области оптоэлектроники.
2. Формирующие механизмы
В кислородной или водной среде PHPS может быть преобразован в покрытие из оксида кремния с помощью высокотемпературной обработки или освещения, независимо от присутствия или отсутствия катализатора. Многие исследователи исследовали механизм, с помощью которого PHPS образует покрытие в различных условиях, включая химические реакции и фазовые превращения PHPS в оксид кремния при высоких температурах. Иллюстрация показывает явление разделения фаз во время преобразования PHPS и показывает переход от фазы PHPS к фазе диоксида кремния, включая, в частности, непрерывную фазу и островную структуру PHPS и островную структуру оксида кремния. Химическая реакция иллюстрирует реакции гидролиза, конденсации и окисления в процессе превращения. Исследование показало, что когда температура конверсии ниже 180 ° C, в основном происходит реакция гидролитической конденсации Si-H и Si-N, и преобразование является недостаточным, образуя диоксид кремния как структуру дисперсной фазы. В это время коэффициент преломления выше, но модуль и твердость ниже. В температурном диапазоне от 180 ° С до 300 ° С конверсия представляет собой, главным образом, реакцию окисления Si-H и Si-N, фаза диоксида кремния постепенно растет, образуя двойную непрерывную фазовую структуру, и при температуре выше 200 ° С фаза диоксида кремния становится доминирующей, что значительно улучшает механические свойства материала. В диапазоне температур от 300 до 600 ° С сетчатая структура диоксида кремния в основном формируется и дополнительно уплотняется при высоких температурах.
3. Применение PHPS покрытия
3.1 В качестве диэлектрического слоя
Диэлектрический слой диоксида кремния, полученный с помощью жидкофазного способа PHPS, может устранить недостатки традиционных методов, таких как термическое окисление, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы (PECVD), и поэтому он очень популярен.
Молекулярная структура PHPS оказывает значительное влияние на свойства диэлектрического слоя при его получении. В одном исследовании использовали PHPS с молекулярной массой в диапазоне от 800 до 2500 и от 3000 до 8000 с отношением средневесовой молекулярной массы к среднечисленной молекулярной массе от 6 до 12 для получения композиции покрытия. Композиция наносится на подложку с зазором и нагревается при температуре ниже 1000 ° С, образуя кремниевую пленку с глубоким зазором. Помимо сосредоточения внимания на молекулярном качестве, дополнительные исследования были сосредоточены на влиянии содержания определенных элементов или групп в PHPS на свойства покрытия. Например, композиции PHPS, не содержащие N-H и С, но обогащенные Si, содержат единицу [-N(SiH3)x(SiH2-)y], где сумма x и y составляет 2 или 3, соответственно, с различными значениями. Эти PHPS в сочетании с различными катализаторами позволяют получить оксидную пленку с низкой усадкой, особенно подходящую для заполнения полупроводниковых зазоров. Слой диоксида кремния с превосходной однородностью толщины слоя может быть получен при использовании PHPS со специфическим спектральным профилем 1HNMR, который имеет специфические условия соотношения пика 1 и пика 2. Наконец, получая соответствующие исследования PHPS с молекулярной массой от 8000 до 15000 и содержанием азота от 25% до примерно 30% от общей массы, слои диоксида кремния, полученные из этих PHPS, демонстрируют превосходные свойства против травления.
3.2 В качестве барьерного слоя
Барьерные слои, особенно те, которые оказывают барьерное воздействие на газы, такие как водяной пар, являются обычным типом покрытия на поверхности электронного и оптического оборудования. В одном исследовании был разработан барьерный слой с использованием PHPS, который вместе со слоем адгезива образовывал клеевой лист. Поверхностная плотность барьерного слоя составляет от 2,4 до 4,0 г · см³, из которых доля кислорода, азота и кремния составляет от 60% до 75%, от 0% до 10% и от 25% до 35% соответственно. Это один из ранних патентов на развитие барьерного слоя с использованием PHPS. В другом исследовании изучалось влияние структуры PHPS на газовые барьерные свойства и было обнаружено, что, регулируя отношение SiH3 к SiH и SiH2 в размере 1:(от 10 до 30), можно получить газовый барьер с хорошей стабильностью в условиях высокой температуры и высокой влажности.
В дополнение к отдельному применению PHPS часто используют в сочетании с модифицированными материалами для получения барьерного слоя. Например, кремнийсодержащая пленка была получена совместно с PHPS и металлическим соединением, таким как триадоксиалюминий, с структурной формулой SiOxNyMz, которая демонстрирует превосходную стабильность в условиях высокой температуры и высокой влажности. В других исследованиях описано несколько добавок, используемых в сочетании с PHPS, включая гуанидины, замещенные углеводородами, краун-эфирные амины, содержащие кислород-азот, циклоалкильные группы с аминозамещенной полициклической структурой, и оксимы, замещенные углеводородами. Использование этих добавок значительно улучшает газовые барьерные свойства полученной пленки.
Состав раствора также влияет на свойства барьерного слоя PHPS, и барьерный слой на основе кремнеземного стекла с низким коэффициентом пропускания водяного пара может быть получен путем определения конкретного структурного элемента PHPS и соотношения Si-R связи по отношению к связи Si-H, растворенного в алифатическом углеводородном растворителе.
Кроме того, влияние способа приготовления на свойства барьерного слоя также является предметом исследования. Пленки с определенным диапазоном показателей преломления получали с использованием нагревания и плазменной обработки, в то время как пленки с превосходной барьерной способностью газа и функцией разности фаз были получены на различных полимерных подложках с использованием PHPS в условиях вакуумного ультрафиолетового облучения. Наконец, Сасаки и др. Исследовали влияние числа связей Si-N, состава PHPS-пленки и свободного объема на процесс уплотнения пленки при вакуумной ультрафиолетовой (VUV) индукции и обнаружили, что облучение VUV может способствовать быстрому высвобождению водорода и уплотнению пленки, предоставляет ценное руководство по разработке нанопленок SiN с высокой плотностью и превосходными барьерными свойствами газа.
3.3 В качестве оптической пленки
PHPS обычно используется для изготовления оптических пленок, которые могут быть использованы для получения композитных материалов, которые могут быть использованы для получения оптических пленок путем объединения с модифицированной сырьевой материал. Способ получения пленки с низким показателем преломления с использованием комбинации PHPS и, по меньшей мере, одного органического полимера, выбранного из группы, состоящей из силиазанов, силиоксилазанов и мочевисилазанов. Раствор, содержащий PHPS, смешивали с раствором фторполимера и наносили, чтобы получить высокопрочный, устойчивый к олеиновым кислотам и легко скользящий слой оптической пленки диоксида кремния, используя раствор ксилола PHPS в качестве предшественника для получения покрытия из диоксида кремния с легированным пепираном (SP); С преобразованием PHPS в диоксид кремния пленка изменилась с прозрачного светло-желтого цвета, и увеличение поглощения при 500 нм. После обработки экспозиции цвет пленки углубляется, демонстрируя обратимые фотохромные свойства, доказывая ее потенциал для применения в оптической пленке
В дополнение к типу сырья, способ приготовления также оказывает существенное влияние на свойства оптической пленки. Nakagawa и другие использовали золь-гель для приготовления органически-неорганической гибридизированной пленки, преобразованной PHPS, которая была применена к активному слою OLED и показала превосходные электролюминесцентные характеристики. Ли и др. Наносили слой HPS на Si(100) с помощью раствора дибутилового эфира и облучали ультрафиолетовым светом 405 нм, чтобы получить плотный слой сшивания диоксида кремния в воде или перекиси водорода, демонстрируя влияние процесса приготовления на стехиометрическое соотношение и показатель преломления. Baek et al. Обработав HPS с использованием интенсивного импульсного ультрафиолетового света (IPL) в воздушной среде и при низких температурах, подготовил слой SiOx, который показал сходные коэффициенты конверсии и показатели преломления со слоями термообработанного диоксида кремния, демонстрируя потенциал применения процесса IPL в индустрии оптических пленок. Эти исследования показали, что регулирование сырья и способов получения может значительно влиять на свойства оптической пленки, обеспечивая разнообразные пути для получения оптической пленки.
3.4 Другие приложения
Применение PHPS в области покрытия солнечных элементов значительно возросло в последние годы, и он играет множество ключевых ролей в установке солнечных элементов. Например, PHPS используется для создания диэлектрического барьерного слоя для солнечных элементов, который расположен между металлической или стеклянной подложкой и фотоэлектрической структурой CIS (сульфид меди и индия) или CIGSe (селенид меди, индия и галлия). С использованием тонкопленочного слоя инкапсуляции солнечных элементов, изготовленного из PHPS, этот слой инкапсуляции позволяет солнечным элементам на основе халькопирита иметь среднюю отражательную способность менее 95% в диапазоне от 300 до 900 нм и более 200% в диапазоне от 1100 до 1500 нм, демонстрируя превосходную устойчивость к старению. PHPS используется для изготовления антибликовых пленок для солнечных элементов, которые имеют соответствующую антибликовую текстуру поверхности и могут эффективно удалять поверхностные загрязнения. Использование вакуумного ультрафиолетового света для преобразования PHPS в диоксид кремния для инкапсуляции гибких перовскитных солнечных элементов (PSC). Для предотвращения деградации PSC, вызванной раствором PHPS и светом VUV(λ = 172nm), квантовые точки CdSe/ZnS используются в качестве барьерного слоя, распределенного на полидиметилсилоксановой подложке. Это увеличивает срок службы гибких солнечных элементов при комнатной температуре более чем на 400 часов.
Кроме того, путем растворения PHPS в ксилоле и гидролиза аммиачной водой пленка перовскита дополнительно прилипает к плотному слою оксида титана, что обеспечивает новые идеи для крупномасштабного производства фотоэлектрических систем перовскита.
В дополнение к традиционным диэлектрическим слоям, барьерным слоям и оптическим слоям, PHPS также используется для изготовления других функциональных слоев. PHPS используется для образования слоя соединения на подложке, в котором часть соединения силиазана превращается в соединение, содержащее силоксановую связь, и на нем образуется металлический слой с серебром в качестве основного компонента для получения прозрачной проводящей пленки. Исследования показали, что пленки, преобразующие длину волны, приготовленные с использованием раствора, содержащего PHPS и агент, преобразующий длину волны, улучшили пропускание видимого света до 50% или более по сравнению с водным раствором. Оксидные слои, которые последовательно уложены на металлической подложке, и кремнеземные покрытия, образованные отверждением PHPS, используются для теплопроводящих изоляционных панелей электронных компонентов, которые демонстрируют хорошую теплопроводность и изоляционные свойства. С помощью сшивающего агента блок-сополимер PHP, содержащий линейный или циклический блок A и блок B полисилитазанового скелета, богатый кремнием, получают в результате реакции светового сшивания. Эти блок-сополимеры имеют уникальную структуру, позволяющую изготавливать толстую, высокую плотность и хорошую адгезию к подложке жертвенную пленку, обеспечивая дополнительный функциональный слой для солнечных элементов. Эти исследования показывают, что PHPS, как многофункциональный материал, широко используется в области солнечных элементов, не ограничиваясь только повышением эффективности и срока службы батареи, но и повышением экологической стабильности и надежности батареи. Благодаря различным обработкам и применениям для PHP, могут быть подготовлены высокопроизводительные солнечные модули, отвечающие конкретным потребностям, что дополнительно способствует развитию солнечной технологии и развитию фотоэлектрической промышленности.
4. Перспективы
По-прежнему существует большой разрыв между всесторонней конкурентоспособностью Китая в области оптоэлектроники и развитыми странами. Превосходные технологические характеристики и характеристики продукта покрытия PHPS делают его широким перспективным в области оптоэлектроники. С точки зрения подготовки PHPS, всесторонняя сила Китая слаба, а для применения покрытий PHPS заявители из развитых стран, таких как AZ Electronic Materials, Samsung Co., Ltd., Konica Minolta Co., Ltd. и Lindeco Co., Ltd., начали патент в Китае рано, а количество патентов велико. По сравнению с зарубежными исследованиями в области покрытий PHPS, в Китае меньше отчетов о отечественных исследованиях, и мало сообщений о применении PHPS в области оптоэлектроники, что, несомненно, создает проблемы для развития оптоэлектронной промышленности Китая. Китай должен усилить исследования в области методов подготовки и применения PHPS, преодолеть трудности подготовки и применения PHPS и усилить защиту прав интеллектуальной собственности, чтобы создать конкурентоспособную цепочку производства покрытий PHPS.