Molecular layer deposition - chemistry and morphology of thin polyurethane layers on native metals

Abstract

Polymers play an increasing role in thin films and coatings. The properties of such polymer layers can differ substantially from their bulk behaviour. Molecular Layer Deposition (MLD) is an emerging thin film deposition technique. In this work polyurethane (PU) layers are prepared by MLD onto native surfaces of Al and Cu oxides and their chemistry, morphology and stability are assessed. Alcohol and isocyanate deposits show a significant different behaviour. Alcohols do only undergo weak physical interactions with the metal oxides as they rapidly desorb. Isocyanates form stable layers. Part of it undergoes a strong attachment to the substrate that involves the formation of urethane-like functionalities between the isocyanate groups and hydroxide/oxide from the metal surface. Sequential deposition of isocyanate and alcohol reveal further singular properties. The topography of the layers is metal specific and dependant on the deposited alcohol and the deposition sequence. In each case rough deposits are achieved. Stability of all prepared layers against THF is poor. No crosslinked polymer network is formed but rather short-chained oligomers. Significant improvement is achieved through increased storage temperature. Beside faster urethane formation, topography is much more homogeneous and stability is significantly better.

Polymere spielen in dünnen Beschichtungen eine immer größere Rolle. Die Eigenschaften solcher Polymerschichten können sich erheblich vom Bulk unterscheiden. Molecular Layer Deposition (MLD) ist eine neue Technik zur Abscheidung dünner Schichten. Polyurethanschichten (PU) werden mittels MLD auf nativen Oberflächen von Al- und Cu-Oxiden hergestellt und ihre Chemie, Morphologie und Stabilität bewertet. Alkohol- und Isocyanatschichten zeigen ein deutlich unterschiedliches Verhalten. Alkohole gehen nur schwache physikalische Wechselwirkungen mit den Metalloxiden ein. Isocyanate bilden stabile Schichten. Ein Teil davon geht eine starke Bindung mit dem Substrat ein, bei der sich zwischen den Isocyanatgruppen und den Hydroxiden/Oxiden der Metalloberfläche urethanähnliche Funktionalitäten bilden. Durch die sequentielle Abscheidung von Isocyanat und Alkohol werden weitere Eigenschaften sichtbar. Die Topographie der Schichten ist metallspezifisch und abhängig vom abgeschiedenen Alkohol und der Abscheidungsreihenfolge. In jedem Fall werden raue Schichten erzielt. Die Stabilität gegenüber THF ist schlecht. Es bildet sich kein Polymernetzwerk, sondern eher kurzkettige Oligomere. Eine signifikante Verbesserung wird durch eine Erhöhung der Lagertemperatur erreicht. Neben der schnelleren Urethanbildung ist die Topographie wesentlich flacher und die Stabilität ist deutlich besser.