基于等离子体刻蚀的聚合物薄膜亚层光谱与形态分析：方法、应用和仪 器

Polymer (composite) thin films are usually featured with film-depth-related (sublayer) composition, molecular conformation, chain alignment, crystallinity and crystallite sizes, which are correlated with depth-dependent composition, optical and electronic properties. However, so far only a few expensive techniques are available for sublayer analysis. We have previously found that etching under low-pressure oxygen plasma could selectively remove the materials without subsurface damage. Basing on such a finding, in this proposal we plan to use surface-selective etching to eth polymer film and to in-situ monitor the change of light absorption, charge transport and film morphology. We could therefore rebuild the film-depth-dependent light absorption spectra, which will be used to figure out light-matter interaction. 3-dimensional electron tomography is thus reconstructed from the etching method. The depth-dependent charge transport is also correlated with sublayer spectra and sublayer morphology. This depth-related analysis could contribute to the performance optimization of opt-electronic devices. Surface-selective etching is also applicable for devices based on sublayer film. Finally, we plan to develop new lab instrument to in-situ measure sublayer absorption spectra.

高分子（复合）薄膜在不同的深度位置处（亚层）往往具有不同的化学组成、分子构象、链取向、结晶性、微晶尺寸等，因此薄膜亚层的化学、光学、电学性质和所处的深度位置有关。然而，薄膜亚层的分析检测手段却相对缺乏且成本高昂。我们在前期研究中发现：较低压强的氧等离子可以选择性刻蚀聚合物薄膜表面，并不会对表面以下的材料产生损坏。在此基础上，我们拟在本项目中：1，用连续等离子体刻蚀原位测试薄膜的吸收光谱；优化光学模型，实现具有较高空间高分辨率的薄膜深度分辨吸收光谱，并将结果应用于薄膜结构分析、光-物质相互作用、电荷输运、光电器件性能优化等；2，使用表面选择刻蚀工艺研究薄膜亚层形态并进行三维电镜形态重构；3，将亚层薄膜分析结果用于多层薄膜结构的光学和电学性能研究，致力于提高光电器件性能；4，利用表面选择刻蚀这种“减材加工”方法开发基于亚层薄膜的聚合物电子器件；5，改进并推广基于亚层光谱分析的新型原位光谱仪。

高分子薄膜往往存在一定的各向异性和垂直相分离。高分子（复合）薄膜在不同的深度位置处（亚层）往往具有不同的化学组成、分子构象、链取向、结晶性、微晶尺寸等，因此薄膜亚层的化学、光学、电学性质和所处的深度位置有关。然而，薄膜亚层的分析检测手段和配套的检测仪器却相对缺乏且成本高昂。因此我们在本项目中：1，用连续等离子体刻蚀原位测试薄膜的吸收光谱；优化光学模型，实现具有较高空间高分辨率的薄膜深度分辨吸收光谱，并将结果应用于薄膜结构分析、光-物质相互作用、电荷输运、光电器件性能优化等； 2，将亚层薄膜分析结果用于多层薄膜结构的光学和电学性能研究，致力于提高光电器件性能；3，利用表面选择刻蚀这种“减材加工”方法开发基于亚层薄膜的聚合物电子器件；4，改进并推广基于亚层光谱分析的新型原位光谱仪。所研发的仪器精度高，薄膜垂直分辨率优于1纳米。截止到2022年底本项目执行结束，本项目开发的仪器产生的数据用户已经超过200家，光谱仪被中国科学院、清华大学、北京大学等机构采购。