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

氣相聚合物涂層

化學氣相沉積（CVD）工藝已成為現代社會的一個組成部分，包括半導體工業、表面處理和許多其他應用領域。CVD工藝通常用于通過氣相化學反應在各種基板上高精度沉積無機材料（例如III-V半導體）。這些工藝可以輕松擴展到工業上，以均勻地覆蓋大面積的基板。近年來，通過將CVD與有機前體結合來生產有機聚合物涂層的興趣日益濃厚。聚合物是一類具有獨特機械性能和表面化學變化能力的常見材料。為了生產聚合物的薄膜，通常將其溶解在有機溶劑中，然后將溶液施加到待涂覆的基板上。基板通常旋轉，通常稱為旋轉涂層。然而，在微納米技術領域，這種方法很快達到了極限。待涂覆聚合物溶液具有表面張力，并不均勻地涂覆復雜結構，如孔、光柵或微電子結構。結果是涂層不均勻且存在許多缺陷。這些涂層不能用于表面的封閉封裝或低微納米范圍內的應用。

而iCVD使用的方法不是溶解聚合物，而是將聚合物的基本成分，即所謂的單體，在真空條件下通過氣相引入反應器，然后吸附在基材表面，通過化學反應結合形成聚合物層（圖1）。通過這種方式，聚合物涂層的均勻性和質量可以顯著提高。這對于微米或納米范圍內的小結構和細節特別有趣。沒有有機溶劑消除了表面張力和其他潤濕效應，甚至復雜的幾何形狀也可以進行共形涂層。我們使用的技術稱為引發式化學氣相沉積（iCVD）。它是由波士頓麻省理工學院（MIT）Professor K. Gleason在20世紀90年代末/21世紀初發明的，并一直在不斷發展。

(圖1)

量身定制的涂料

由于單體的范圍很廣，不同的功能化學基團可以被引入到聚合物薄膜中導致薄膜具有不同的性能。溶劑的缺失也使得非溶解性聚合物，如氟化或交聯聚合物，能夠以高精度應用于基板。通過添加另一種共聚單體，還可以將不同的功能結合在一起。同樣，氣相方法具有優勢，因為不需要使用共聚反應的常見溶劑。溫度敏感的基板，如紙張、柔性有機基板或生物醫學樣品，也能在涂覆過程中幸存下來，因為在沉積過程中它們會永久冷卻到室溫（圖2）。通過這種方式，iCVD技術能夠實現定制的、高精度的聚合物涂層，能夠執行各種任務。這些任務包括提供優異的電絕緣的涂層，具有阻水特性，表現出抗病毒行為，甚至在受特定波長光照射時可以改變顏色。

（圖2）

涂料的精選應用實例

iCVD涂層的應用非常多樣化，從傳感器、生物醫學到有機電子。由于精確控制聚合物層的生長，涂層可以生產出高重復性。和有針對性的過程監控。

• 精密的聚合物涂層在傳感應用中通常是必不可少的。這些可作為傳感器的活性部件，并用于過濾或封裝，以在惡劣環境中保護傳感器。例如，已經表明，僅幾納米厚的額外 iCVD 涂層可以顯著提高金屬氧化物氣體傳感器在高濕度下的性能，這在以前一直是這些傳感器面臨的一個問題。

• 研究還表明，這些傳感器的選擇性取決于iCVD涂層中的官能團，因此可以特別調節自由體積，即聚合物鏈之間的空間。它們適合作為鋰離子電池中的警告傳感器或用于檢測變質食物和人類呼吸中的疾病指標。帶電的iCVD層，稱為駐極體，已被用作具有電容讀出方法的新型磁場傳感器的有源元件，以使其能夠運行并檢測弱磁場。此外，還提供柔性pH傳感器，濕度傳感器，甚至還有多傳感器設備已報道使用iCVD生產的聚合物層。

• 在生物醫學應用中iCVD涂層可用于在表面上提供特定的功能基團以影響界面相互作用。研究表明，表面與成纖維細胞、癌細胞和病毒的相互作用發生了變化。此外，據報道，骨植入物由iCVD涂層而顯示出礦化和細胞生長的改善。藻類復合材料可以通過iCVD功能化用于骨組織工程，以增加其潤濕性和生物相容性，用于牙科或骨科。還可借助雙離子型iCVD表面實現防污和抗菌表面的應用。

• 由于其柔性特性，iCVD沉積的聚合物通常是電絕緣體，非常適合作為有機電子器件中的介電層。它們的應用已經在有機場效應晶體管中得到成功證明或用于軟的、導電的聚合物網絡的功能化。

總之，iCVD技術能夠在幾乎任何基材和任何基材幾何形狀上應用高質量的聚合物涂層，而無需使用溶劑。然而，iCVD 的目標不是與傳統的溶劑型工藝競爭。相反，目標是專注于以前無法實現的微納米技術應用，以及聚合物薄膜的沉積，如交聯聚合物或不溶性共聚物。這一相對較新的工藝目前正從基礎研究向工業化過渡。

由于CVD工藝通常不允許定向沉積，并且在工藝過程中所有東西都必須被涂覆，局部沉積是當前iCVD研究中的一個挑戰。通過這種方式，聚合物薄膜可以選擇性地僅應用于特定的基底區域。iCVD的研究中另一個重要努力是使用可生物降解的涂層和避免例如氟化前體。這些做法符合綠色化學的原則，使iCVD技術成為一個環保的選擇。

iCVD技術的發展和商業化不斷推進，其潛力將在未來繼續展現。