iCVD（引发式化学气相沉积）——由气相制成的超薄聚合物涂层

本文章摘自WILEY Analytical Science 《Polymer coatings from the gas phase》

气相聚合物涂层

化学气相沉积（CVD）工艺已成为现代社会的一个组成部分，包括半导体工业、表面处理和许多其他应用领域。CVD工艺通常用于通过气相化学反应在各种基板上高精度沉积无机材料（例如III-V半导体）。这些工艺可以轻松扩展到工业上，以均匀地覆盖大面积的基板。近年来，通过将CVD与有机前体结合来生产有机聚合物涂层的兴趣日益浓厚。聚合物是一类具有独特机械性能和表面化学变化能力的常见材料。为了生产聚合物的薄膜，通常将其溶解在有机溶剂中，然后将溶液施加到待涂覆的基板上。基板通常旋转，通常称为旋转涂层。然而，在微纳米技术领域，这种方法很快达到了极限。待涂覆聚合物溶液具有表面张力，并不均匀地涂覆复杂结构，如孔、光栅或微电子结构。结果是涂层不均匀且存在许多缺陷。这些涂层不能用于表面的封闭封装或低微纳米范围内的应用。

而iCVD使用的方法不是溶解聚合物，而是将聚合物的基本成分，即所谓的单体，在真空条件下通过气相引入反应器，然后吸附在基材表面，通过化学反应结合形成聚合物层（图1）。通过这种方式，聚合物涂层的均匀性和质量可以显著提高。这对于微米或纳米范围内的小结构和细节特别有趣。没有有机溶剂消除了表面张力和其他润湿效应，甚至复杂的几何形状也可以进行共形涂层。我们使用的技术称为引发式化学气相沉积（iCVD）。它是由波士顿麻省理工学院（MIT）Professor K. Gleason在20世纪90年代末/21世纪初发明的，并一直在不断发展。

(图1)

量身定制的涂料

由于单体的范围很广，不同的功能化学基团可以被引入到聚合物薄膜中导致薄膜具有不同的性能。溶剂的缺失也使得非溶解性聚合物，如氟化或交联聚合物，能够以高精度应用于基板。通过添加另一种共聚单体，还可以将不同的功能结合在一起。同样，气相方法具有优势，因为不需要使用共聚反应的常见溶剂。温度敏感的基板，如纸张、柔性有机基板或生物医学样品，也能在涂覆过程中幸存下来，因为在沉积过程中它们会永久冷却到室温（图2）。通过这种方式，iCVD技术能够实现定制的、高精度的聚合物涂层，能够执行各种任务。这些任务包括提供优异的电绝缘的涂层，具有阻水特性，表现出抗病毒行为，甚至在受特定波长光照射时可以改变颜色。

（图2）

涂料的精选应用实例

iCVD涂层的应用非常多样化，从传感器、生物医学到有机电子。由于精确控制聚合物层的生长，涂层可以生产出高重复性。和有针对性的过程监控。

• 精密的聚合物涂层在传感应用中通常是必不可少的。这些可作为传感器的活性部件，并用于过滤或封装，以在恶劣环境中保护传感器。例如，已经表明，仅几纳米厚的额外 iCVD 涂层可以显著提高金属氧化物气体传感器在高湿度下的性能，这在以前一直是这些传感器面临的一个问题。

• 研究还表明，这些传感器的选择性取决于iCVD涂层中的官能团，因此可以特别调节自由体积，即聚合物链之间的空间。它们适合作为锂离子电池中的警告传感器或用于检测变质食物和人类呼吸中的疾病指标。带电的iCVD层，称为驻极体，已被用作具有电容读出方法的新型磁场传感器的有源元件，以使其能够运行并检测弱磁场。此外，还提供柔性pH传感器，湿度传感器，甚至还有多传感器设备已报道使用iCVD生产的聚合物层。

• 在生物医学应用中iCVD涂层可用于在表面上提供特定的功能基团以影响界面相互作用。研究表明，表面与成纤维细胞、癌细胞和病毒的相互作用发生了变化。此外，据报道，骨植入物由iCVD涂层而显示出矿化和细胞生长的改善。藻类复合材料可以通过iCVD功能化用于骨组织工程，以增加其润湿性和生物相容性，用于牙科或骨科。还可借助双离子型iCVD表面实现防污和抗菌表面的应用。

• 由于其柔性特性，iCVD沉积的聚合物通常是电绝缘体，非常适合作为有机电子器件中的介电层。它们的应用已经在有机场效应晶体管中得到成功证明或用于软的、导电的聚合物网络的功能化。

总之，iCVD技术能够在几乎任何基材和任何基材几何形状上应用高质量的聚合物涂层，而无需使用溶剂。然而，iCVD 的目标不是与传统的溶剂型工艺竞争。相反，目标是专注于以前无法实现的微纳米技术应用，以及聚合物薄膜的沉积，如交联聚合物或不溶性共聚物。这一相对较新的工艺目前正从基础研究向工业化过渡。

由于CVD工艺通常不允许定向沉积，并且在工艺过程中所有东西都必须被涂覆，局部沉积是当前iCVD研究中的一个挑战。通过这种方式，聚合物薄膜可以选择性地仅应用于特定的基底区域。iCVD的研究中另一个重要努力是使用可生物降解的涂层和避免例如氟化前体。这些做法符合绿色化学的原则，使iCVD技术成为一个环保的选择。

iCVD技术的发展和商业化不断推进，其潜力将在未来继续展现。