Interaction of (3-Aminopropyl)triethoxysilane With Late Ar-N 2 Afterglow: Application to Nanoparticles Synthesis

International audienceFrom results of in situ FTIR absorption and optical emission spectroscopy, the interaction of (3‐aminopropyl)triethoxysilane (APTES) with late Ar-N2 afterglow is shown to occur mainly with N atoms. They react preferentially with carbon from CHx groups in the precursor, leading to the synthesis of CN bonds. No production of NH radical is observed, demonstrating the lack of direct reaction between active nitrogen and APTES. The -NH2 group is not affected by the afterglow. One of the C-C bonds of the propylamine group in the APTES is likely broken. These nanoparticles present secondary amides due to reactions with active nitrogen. They are amorphous and react in air to produce a salt

Caractérisation par infrarouge à transformée de Fourier des réactions chimiques entre post-décharges et précurseurs organosiliciés : cas du 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES)

The present work deals with the characterization by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and by optical emission spectroscopy of chemical reactions between a post-discharge and an organosilicon precursor: the 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES). The aim is to keep the highest retention of amine functions -NH2 in coatings or in the synthesized nanoparticles. First, a state of the art of Ar-N2 and Ar-O2 post-discharges and their applications is presented as well as the kinetics of the interaction of APTES in these post-discharges, highlighting the role plasma gases on the decomposition of the precursor and the nature of the deposited films. Then, the study of the decomposition of APTES in an Ar-N2 post-discharge is carried out. Analysis by optical emission spectroscopy (OES) and in situ FTIR show the role of the nitrogen atoms N in the formation of various main by-products, namely HCN, CO and C=O. The synthesized nanoparticles contain few primary amines, and have a significant concentration of nitrogen in the form of secondary amide. In the case of interaction APTES with pulsed Ar-O2 afterglow, there is one main trend: the nanoparticles synthesized in the gas phase when the duty cycle increases have a composition that decreases in nitrogen and carbon but increases in oxygen. The -NH2 groups are efficiently converted into amide groups. The nanoparticles synthesized with high duty cycle exhibit compositions that are different from those of thin films deposited on the walls, the latter being close to silica because of the etching by atomic oxygen, which affects them more. The specific behavior of oxygen and nitrogen atoms in post-discharge makes difficult the retention of a high level of amines in plasma polymers. Finally, we finished with a study of the hydrodynamics in the case of the interaction of acetylene with an Ar-O2 post-discharge and proved the key role of the flow for any approach aiming at getting time-resolved FTIR measurementsLes travaux présentés dans ce mémoire concernent la caractérisation par infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et par spectroscopie d’émission optique (SEO) des réactions chimiques entre post-décharges et précurseurs organosiliciés, avec comme exemple le cas du 3-aminopropyltriéthoxysilane (APTES). Le but est d’obtenir la rétention la plus élevée possible de fonctions amine -NH2 dans les revêtements ou dans les nanoparticules synthétisées. Tout d’abord, un état de l’art des post-décharges Ar-N2 et Ar-O2 et leurs applications est présenté ainsi que la cinétique d’interaction de l’APTES dans ces post-décharges, mettant en évidence le rôle des mélanges plasmagènes sur la décomposition du précurseur et sur la nature des films déposés. Ensuite l’étude de la décomposition de l’APTES dans une post-décharge Ar-N2 est réalisée. Les analyses par SEO et par FTIR in situ montrent le rôle des atomes d’azote N dans la formation des différents sous-produits, à savoir HCN, CO et C=O. Les nanoparticules synthétisées contiennent peu d’amine primaire, et présentent une concentration non négligeable d’azote sous forme d’amide secondaire. Dans le cas de l’étude de la décomposition de l’APTES dans la post-décharge Ar-O2 en mode pulsé, une tendance se dessine : les nanoparticules synthétisées en phase gazeuse lorsque les rapports cycliques augmentent ont une composition qui s’appauvrit en azote et en carbone mais s’enrichit en oxygène. Les groupements NH2 initiaux sont fortement convertis en groupement amide. Les nanoparticules synthétisées avec des rapports cycliques élevés ont des compositions différentes de celles des films minces déposés sur les parois, plus proches de la silice et ce en raison de la gravure par l’oxygène atomique qui les affecte davantage. Le comportement spécifique des atomes d’oxygène et d’azote en post-décharge rend difficile la rétention des amines dans les polymères plasmas. Enfin nous avons terminé par une étude de l’hydrodynamique dans le cas de l’interaction entre l’acétylène et une post-décharge Ar-O2 et établi l’importance de l’écoulement sur toute approche visant à faire des mesures FTIR résolues temporellemen

Characterization by Fourier transform infrared spectroscopy of chemical reactions between post-discharge and organosilicons precursors : case of 3-aminopropyltriethoxysilane

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent la caractérisation par infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et par spectroscopie d’émission optique (SEO) des réactions chimiques entre post-décharges et précurseurs organosiliciés, avec comme exemple le cas du 3-aminopropyltriéthoxysilane (APTES). Le but est d’obtenir la rétention la plus élevée possible de fonctions amine -NH2 dans les revêtements ou dans les nanoparticules synthétisées. Tout d’abord, un état de l’art des post-décharges Ar-N2 et Ar-O2 et leurs applications est présenté ainsi que la cinétique d’interaction de l’APTES dans ces post-décharges, mettant en évidence le rôle des mélanges plasmagènes sur la décomposition du précurseur et sur la nature des films déposés. Ensuite l’étude de la décomposition de l’APTES dans une post-décharge Ar-N2 est réalisée. Les analyses par SEO et par FTIR in situ montrent le rôle des atomes d’azote N dans la formation des différents sous-produits, à savoir HCN, CO et C=O. Les nanoparticules synthétisées contiennent peu d’amine primaire, et présentent une concentration non négligeable d’azote sous forme d’amide secondaire. Dans le cas de l’étude de la décomposition de l’APTES dans la post-décharge Ar-O2 en mode pulsé, une tendance se dessine : les nanoparticules synthétisées en phase gazeuse lorsque les rapports cycliques augmentent ont une composition qui s’appauvrit en azote et en carbone mais s’enrichit en oxygène. Les groupements NH2 initiaux sont fortement convertis en groupement amide. Les nanoparticules synthétisées avec des rapports cycliques élevés ont des compositions différentes de celles des films minces déposés sur les parois, plus proches de la silice et ce en raison de la gravure par l’oxygène atomique qui les affecte davantage. Le comportement spécifique des atomes d’oxygène et d’azote en post-décharge rend difficile la rétention des amines dans les polymères plasmas. Enfin nous avons terminé par une étude de l’hydrodynamique dans le cas de l’interaction entre l’acétylène et une post-décharge Ar-O2 et établi l’importance de l’écoulement sur toute approche visant à faire des mesures FTIR résolues temporellementThe present work deals with the characterization by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and by optical emission spectroscopy of chemical reactions between a post-discharge and an organosilicon precursor: the 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES). The aim is to keep the highest retention of amine functions -NH2 in coatings or in the synthesized nanoparticles. First, a state of the art of Ar-N2 and Ar-O2 post-discharges and their applications is presented as well as the kinetics of the interaction of APTES in these post-discharges, highlighting the role plasma gases on the decomposition of the precursor and the nature of the deposited films. Then, the study of the decomposition of APTES in an Ar-N2 post-discharge is carried out. Analysis by optical emission spectroscopy (OES) and in situ FTIR show the role of the nitrogen atoms N in the formation of various main by-products, namely HCN, CO and C=O. The synthesized nanoparticles contain few primary amines, and have a significant concentration of nitrogen in the form of secondary amide. In the case of interaction APTES with pulsed Ar-O2 afterglow, there is one main trend: the nanoparticles synthesized in the gas phase when the duty cycle increases have a composition that decreases in nitrogen and carbon but increases in oxygen. The -NH2 groups are efficiently converted into amide groups. The nanoparticles synthesized with high duty cycle exhibit compositions that are different from those of thin films deposited on the walls, the latter being close to silica because of the etching by atomic oxygen, which affects them more. The specific behavior of oxygen and nitrogen atoms in post-discharge makes difficult the retention of a high level of amines in plasma polymers. Finally, we finished with a study of the hydrodynamics in the case of the interaction of acetylene with an Ar-O2 post-discharge and proved the key role of the flow for any approach aiming at getting time-resolved FTIR measurement

Study of a pulsed post‐discharge plasma deposition process of APTES: synthesis of highly organic pp‐APTES thin films with NH 2 functionalized polysilsesquioxane evidences

International audienceThis article reports the use of pulsed remote Ar-O 2 microwave plasma assisted chemical vapor deposition with an −NH 2 containing organosilicon precursor ((3-Aminopropyl)triethoxysilane: APTES). It is shown that modifying the plasma pulses duration (t on) and the plasma off duration (t off) allows to finely tune the deposited layer composition. In addition, the results of this work demonstrate that an important film growth occurs during t off , which results in an increased −NH 2 density. Besides, high resolution MALDI-ORBITRAP Mass spectrometry analysis clearly points out that APTES oligomers up to eight base units, including silsesquioxanes (cages), and cyclosi-loxanes (rings) molecules with intact −NH 2 groups are embedded into the as grown pp-APTES thin film. K E Y W O R D S microwave discharges, plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD), plasma polymerization, pulsed discharges, remote plasma processes