Quantitative Relation between the Hamaker Constant and the Water Contact Angle with sp2/sp3 Ratio and Hydrogen Content in a Hydrogenated Diamond-Like Carbon Thin Film

Abstract

Алотропні фази кристалічного карбону, алмазу та графіту, гібридизовані відповідно як sp3 та sp2. Між цими двома знаходиться проміжна структура, тобто суміш тонких плівок нанокристалічного гідрогенізованого алмазоподібного вуглецю (HDLC) sp3 і sp2. Тонкі плівки HDLC були синтезовані методом зміщеної посиленої нуклеації (BEN) у реактивному газоплазмовому процесі (RGPP) при варіюванні співвідношення швидкостей потоків H2 і CH4. Існує безліч застосувань цих матеріалів залежно від їхнього співвідношення sp2/sp3 та властивостей поверхні. Властивість гідрофільної/гідрофобної природи поверхні плівок можна легко виміряти за кутом контакту з водою на поверхнях HDLC, який також залежить від співвідношення sp2/sp3. У роботі ми оцінили співвідношення sp2/sp3 опосередковано через кут контакту з водою тонкої плівки HDLC та під час її відпалу при низькому тиску. Співвідношення sp2/sp3 та тип зв'язку C1s оцінювали за спектром XPS. Дослідження топографії поверхні плівки HDLC виконано методами AFM та SEM. Можна зробити висновок, що кут контакту з водою на поверхні HDLC істотно не впливає на морфологію поверхні. Виявлено кількісний зв'язок між співвідношенням sp2/sp3 і кутом контакту з водою плівки HDLC зі вмістом водню, виміряним за рівнянням Ангуса та Янсена, та константою Гамакера, оціненою за допомогою AFM з використанням різних моделей.

Allotropes of two crystalline carbons, diamond and graphite, are sp3 and sp2 hybridized, respectively. In between these two, there is an intermediate structure i.e., the mixture of sp3 and sp2 nanocrystalline hydrogenated diamond-like carbon (HDLC) thin films. HDLC thin films were synthesized by the biased enhanced nucleation (BEN) technique in the reactive gas-plasma process (RGPP) under the varying ratio of H2 and CH4 flow rates. There are numerous applications of these materials depending on their sp2/sp3 ratio and surface properties. The property, hydrophilic/hydrophobic nature of the film surfaces can be measured from the water contact angle on the HDLC surfaces easily which also depends on the sp2/sp3 ratio. In this paper, we have evaluated the sp2/sp3 ratio indirectly through the water contact angle of the HDLC thin film and under its annealing treatment at low pressure. The sp2/sp3 ratio and C1s bonding type were estimated by the XPS spectrum. The study of the surface topography of the HDLC film was made by AFM and SEM. In this study, it can be concluded that the water contact angle on the HDLC surface does not significantly affect the surface morphology. A quantitative relationship is found between the sp2/sp3 ratio and the water contact angle of HDLC with hydrogen content, measured by the Angus and Jansen equation, and the Hamaker constant estimated by AFM using different models.