Surface functional group characterization using Chemical Derivatization X-ray Photoelectron Spectroscopy (CD-XPS)

Abstract

Chemical derivatization - X-ray photolectron spectroscopy (CD-XPS) was applied successfully in order to determine different functional groups on thin film surfaces. Different amino group carrying surfaces, prepared by spin coating, self-assembly and plasma polymerization, were successfully investigated by (XPS) and near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy. Amino groups were derivatized with the widely used primary amino group tags, pentafluorobenzaldehyde (PFB) and 4-(trifluoromethyl)-benzaldehyde (TFBA), prior to analysis. Primary amino group quantification was then carried out according to the spectroscopical data. Self-assembled monolayers (SAMs) of different terminal groups were prepared and investigated with XPS and spectra were compared with reference surfaces. An angle resolved NEXAFS measurement was applied to determine the orientation of SAMs. Plasma polymerized allylamine samples with different duty cycle, power and pressure values were prepared in order to study the effects of external plasma parameters on the primary amino group retention. CD-XPS was used to quantify the amino groups and experiments show, that the milder plasma conditions promote the retention of amino groups originating from the allylamine monomer. An interlaboratory comparison of OH group determination on plasma surfaces of polypropylene treated with oxygen plasma, was studied. The surfaces were investigated with XPS and the [OH] amount on the surfaces was calculated.

Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung und Quantifizierung von Aminofunktionalitäten auf Oberflächen mittels der Analyseverfahren Röntgen- Photoelektronenspektrometrie (XPS) und Röntgen-Absorptionsspektrometrie (Feinstruktur an der Absorptionskante, NEXAFS). Die Oberflächen wurden durch Rotationsbeschichtung, Selbstassemblierung oder Plasmapolimerisation hergestellt und die primären Aminogruppen mit den Markern PFB und TFBA derivatisiert. Für die Untersuchung von selbstorganisierenden Monoschichten (SAMs) wurden spektroskopische Daten von aliphatischen und aromatischen SAMs mit einer Referenzoberfläche verglichen. Die Orientierung der Monoschichten wurde mittels einer winkelaufgelösten NEXAFS bestimmt. Desweiteren wurden Oberflächen von plasma-chemisch abgeschiedenen Allylaminfilmen hergestellt und untersucht. Der Einfluss der externen Plasmaparameter auf den chemischen Charakter des abgeschiedenen Films wurde im Detail analysiert. Duty Cycle, Plasmaleistung und Druck zeigten identische Trends in der Retention der Aminogruppen. Grundsätzlich führt die Anwendung von harten Plasmabedingunen zu Filmen mit einer vergleichsweisen geringen Retention der Aminofunktionalitäten. Ein Ringversuch für die Bestimmung von Hydroxylgruppen auf mit Plasma behandelten Oberflächen wurde ebenfalls durchgeführt. Dafür wurde eine Polypropylenfolie, welche Sauerstoffplasma ausgesetzt wurde, mit TFAA derivatisiert. Die Oberfläche wurde mittels XPS untersucht und der [OH]-Gehalt bestimmt.