[发明专利]使用量子点检测气体阻挡膜中的缺陷的方法

说明书

相关申请

本申请要求2012年5月4日提交的美国临时申请号61/642,934的权益，其全部内容通过引用结合在此。

背景

本发明涉及薄膜气体阻挡体。更具体地，它涉及使用量子点的气相合成表征薄膜气体阻挡体的方法。

在电子工业中，为开发用于电子器件的有效的气体阻挡体已经进行了很多工作。气体如O₂和水蒸气可以有害地影响电子器件的稳定性和性能。因此，可以将气体阻挡膜应用至活性器件层的顶部以将活性层从这种污染屏蔽。此外，气体阻挡膜可以赋予电子器件功能性，如挠性或耐冲击性。

除了电子工业之外，气体阻挡膜也在其他领域中采用。例如，在包装工业中，气体阻挡膜用于保护食物和药品不受细菌和其他污染物污染。

典型的气体阻挡体是有机、无机或无机-有机混合材料。有机材料的实例包括聚合物(丙烯酸酯、环氧化物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、纤维素衍生物等)，其在性质上通常是疏水的。无机气体阻挡体可以包括电介质(绝缘)材料、金属氧化物、金属氮化物或基于二氧化硅的(玻璃)材料。对于无机-有机混合物，有机组分通常是聚合物，例如二氧化硅-丙烯酸酯混合物。

为了气体阻挡膜有效地发挥功能，它必须难以被小分子渗透。因此，必须消除膜中的任何裂纹或通道。薄膜中的潜在缺陷的一些实例描述在图1中。膜100中的这种缺陷包括开孔101，针孔/闭孔102和裂纹103。闭孔是小分子难以达到的并且因此不危害膜完整性。然而，这种孔仍然是不适宜的，因为它们可以使膜变弱。全厚度裂纹通过允许气体分子扩散穿过来危害膜完整性，潜在地减小器件稳定性和性能。仅与膜的一个表面接触的缺陷也是不适宜的，因为它们具有蔓延为全厚度裂纹的潜力。

同样，需要有一种非破坏性方法以检测气体阻挡膜中的缺陷。还有益的是的有对于气体测试气体阻挡体的穿透性的测试方法。此外，高度需要可以表征膜的缺陷结构而不仅是缺陷孔径分布的检测技术。

用于检测膜中的缺陷的现有技术方法包括压汞孔隙率测定法(mercury intrusion porosimetry)以及氮气吸附。压汞孔隙率测定法是用于表征在固体膜中，特别是在药物工业中的包装中的孔的方法。使用低压汞，可以检测14-200μm之间的孔直径，而高压汞孔隙率测定仪可以用于检测小至3nm的孔直径。该技术首先由Ritter和Drake在1940年代开发[H.L.Ritter&L.C.Drake，Ind.Eng.Chem.Anal.Ed.，1945，17，782]。该技术利用了液体至介质中的渗透速率对于介质内的孔的尺寸和分布的相关性。单质汞理想地适合于该技术，因为它对大部分固体是非浸润的。迫使非浸润液体进入圆形横截面积的毛细管所需的压力与毛细管直径成反比，并且直接正比于液体的表面张力和与固体表面形成的接触角两者。因此，对于给定的外加压力，可以计算Hg将进入和那些它将不会进入的孔的尺寸。

然而，压汞孔隙率测定法的3nm检测下限对于气体阻挡膜的完整性的确认而言是不足的，因为水和氧的分子小一个数量级并且可以扩散穿过窄得多的裂纹。此外，压汞孔隙率测定法可以用于给出对缺陷直径的指示，但是不提供对缺陷结构的任何形象的表示。模型假设了圆柱形孔形状，这并不总是精确的。使用传统的装置，检测面积也限定于大约1cm²，所以更大的膜不能通过该技术表征。该技术依赖于高操作压力，其可能损坏膜或电子器件。当样品含有很多不能使用该技术检测的闭孔时，这些高压可以是特别有害的，因为高压可以将样品压缩。压汞孔隙率测定法也被发现高估了非常小的孔的直径。

气体吸附孔隙率测定仪可以用于由材料的气体吸附等温线测定其孔尺寸分布[C.G.Shull，J.Am.Chem.Soc.，1948，70，1405]。氮气体吸附在检测具有至300nm的宽范围的直径的孔中使用。该技术可以用于测定孔体积，以及体积孔径分布，其基于与压汞孔隙率测定法相似的技术，不同之处在于将非润湿性液体用氮气替换。在毛细冷凝发生的孔尺寸范围内，对于具有凹液面的冷凝物，只要被吸附物的压力超过孔中的液体的平衡压力，向孔中的毛细冷凝将随之发生。孔径分布可以由吸附或解吸等温曲线测定。

与压汞孔隙率测定法相同，氮气吸附技术假设圆柱形孔形状，具有开孔，并且不存在孔网络。因此，它在表征其中孔结构偏离这些标准的系统中的孔分布上可能是不精确的。此外，单次测量的获得可能花费数小时。其他缺点包括在测量过程中样品可能与液体氮进行接触的事实，这可能导致损坏样品，以及需要低温以确保气相分子之间很小的吸引，这可能是困难的并且维持是昂贵的。

简要概述