UV臭氧清洁：理论与应用

紫外线臭氧清洁依赖于使用高强度紫外线光源，该光源用两种特定波长的光照射待清洁表面。通常使用低压汞蒸气放电灯，例如Ossila公司的合成石英紫外线网格灯，它有两个主要发射峰在184 nm和254 nm。在照射过程中，空气中的分子氧被波长小于200 nm的辐射分解。这导致形成两个氧自由基。这些自由基继续与更多的分子氧反应，形成臭氧分子。

同时，使用254 nm的光来激发样品表面存在的有机物。这个过程增加了污染物与臭氧的反应性。反应后，材料从表面被清理。

紫外臭氧如何清洁样品？

UV臭氧清洁是一种光敏氧化过程，其中激发态的有机分子与臭氧分子发生化学反应，导致键的断裂和分子从表面的脱离。该过程使用高强度UV光源，具有两个主要发射峰在185 nm和254 nm。这两个波长分别负责不同的过程，最终导致表面的清洁。

200纳米以下的辐射被分子氧强烈吸收。被吸收的光子能量足以破坏氧氧双键，从而形成两个氧自由基（O•）。这些自由基随后可以与分子氧反应，生成臭氧分子（O3）。

许多基底表面存在的有机物很容易吸收254纳米波长的紫外线。所产生的激子将处于高能态，且能量可能足以使某些分子生成有机自由基。

表面存在的激发态和有机自由基物种容易与大气中的臭氧反应，生成二氧化碳、水、分子氮和短链有机化合物等挥发性物质。这些挥发性化合物在大气条件下很容易从表面解吸，留下一个原始表面。

紫外臭氧如何改变表面能？

UV臭氧处理通过两种方法改变样品的表面能。其中一种是通过去除表面的低能污染物。这些通常是有机的大气污染物，已吸附在基底的表面。另一种方法是通过处理表面并在样品表面形成高能键。

污染物的去除是通过光氧化过程进行的。这个过程由于有机材料的化学分解，导致污染物从表面上解吸。通常，基底是一个高能表面，如陶瓷或金属，这使得样品的表面能与未处理时相比增加。这种处理不会永远持续，因为随着时间的推移，有机污染物将开始重新吸收回到表面，从而逐渐降低表面能。

紫外线臭氧处理改善表面能的第二种方式是通过在基底表面形成羟基官能团。在辐照过程中，253.7 nm的光可以分解水分子，生成OH和O自由基。羟基自由基通常会与存在的臭氧反应生成水和氧气，然而，当水的紫外线降解发生在样品表面附近时，羟基自由基可以与表面反应，形成一个官能团。这个官能团具有较高的键能，导致大多数表面的表面能增加。

臭氧紫外线应用

UV臭氧清洁是一种多功能技术，可以应用于各种材料，提供表面清洁和处理。它还可以用于需要臭氧或紫外线光的多种其他应用，这意味着该方法在多个学科中具有广泛的应用。该技术的两种主要应用是表面清洁和表面处理。

表面清洁：

使用UV臭氧清洁进行表面清洁通常是在清洁程序的步，以去除样品表面残余的有机物。该过程结果是得到一个原子级清洁的表面，没有任何有机污染物。可以使用UV臭氧清洁去除的污染物包括光刻胶、人类皮肤油、塑料表面/硅油残留物、树脂、清洁溶剂残留物和焊剂。

表面处理：

在清洁过程中，臭氧和氧自由基的形成可以与空气中的水分子发生反应。这导致了羟基自由基的形成。这些寿命短、高度反应性的物种可以与基底表面的键发生反应，从而形成高能羟基集团。这有助于通过增加基底的表面能来准备样品。

其他紫外线臭氧清洁的应用包括紫外线固化、紫外线化学反应、表面单分子层的去除、表面氧化和微图案化。可以使用紫外线臭氧清洁处理的常见材料包括：

√石英/玻璃  √硅 / 硅氧化物   √金属和金属氧化物    √III-V 半导体

√载玻片和基底    √AFM/STM 探针    √光学元件    √培养皿

表面单层的去除

在该应用中，我们使用了紫外臭氧清洗机来去除硅片表面的正辛基三氯硅烷 (OTS) 表层，以改善水性溶液在硅基底上的润湿性。

在经过OTS处理的硅基板（表面为300 nm SiO₂）上的水滴，分别在臭氧紫外线清洁前和10分钟后。

OTS是一种有机分子，用于制造有机场效应晶体管，以改善沉积膜的电气性能。它包含一个三氯硅烷基团，该基团与硅的原生氧化物反应，在表面形成三个硅氧键。这些键在硅衬底的表面重复，直到整个表面覆盖一层OTS。

长碳氢链导致底物具有非常低的表面能。因此，高表面能溶剂（如水）的润湿成为不可能，沉积液滴的接触角很高。经过OTS处理的底物暴露在紫外线臭氧下大约10分钟以清洁十八烷碳链的表面。处理增加了表面能，使水滴在底物表面湿。

处理塑料表面

表面处理可以用来提高基底的表面能。处理时间（暴露于臭氧的时长）可以改变表面能的变化程度。

在不同臭氧暴露时间后的PMMA基底上测量水的接触角。

例如，塑料基板由于富含C-H键和其他类似的低能键，表面能非常低。因此，由于发生不良润湿，从具有高表面张力溶剂的溶液中涂覆薄膜可能会很困难。

评估润湿程度的一种方法是观察液滴在基底表面的接触角。特定溶剂在基底表面的接触角越小（可用Ossila 接触角测量仪测量），润湿效果就越好。使用紫外线臭氧清洁可以处理表面以改善溶剂的润湿性。

在紫外线臭氧处理过程中，臭氧与表面键反应，分解有机基团并最终释放挥发性物质。在此过程中，中间步骤包括低能键（如C-H键）被高能基团（如C-OH）取代。

#OSSILA臭氧清洗机 #羟基自由基 #去农残 #杀菌消毒 #半导体清洗 #医疗器械消毒 #氧化分解 #环保无残留