CC BY
47
РЕЛЬЕФООБРАЗУЮЩИЕ НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА СИЛОКСАНОВЫХ ПОЛИМЕРАХ
В.С. Соловьев1, А.В.Волков2, Б.О. Володкин3, Н.Л. Казанский2, О.В. Сторожилова4 1 Институт элементоорганических соединений РАН 2 Институт систем обработки изображений РАН 3 Самарский государственный аэрокосмический университет имени С. П. Королева 4 Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики
Аннотация
Экспериментально показана возможность получения гладких рельефных микроструктур на основе молекулярной организации в среде силоксанового полимера.
Введение
Одним из самых интересных и перспективных направлений развития нанотехнологий является создание самоорганизующихся надомолекулярных и молекулярных структур [1]. Представляется интересным использовать подобные подходы для формирования микрорельефов дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Первым шагом к этому явился открытый нами эффект темнового роста в слоях жидких фотополимиризующихся композиций [2-3] и предложенные на его основе методы формирования непрерывного микрорельефа ДОЭ [4-6]. В настоящее время метод темнового роста успешно развивается группой профессора Логно Lougnot) [7-10]. К сожалению, этот и большинство других методов формирования непрерывных микрорельефов [3-13] ориентированы на создание микрорельефов для оптических элементов с ярко выраженной гладкой зонной структурой.
В случае использования итеративного расчета фазовой функции ДОЭ на основе генетических или градиентных алгоритмов оптимизации [14-16] или алгоритмов, основанных на методах предыскажения фазы [17-21], получаемый рельеф ДОЭ подчас не имеет гладких зон, а носит случайно-мозаичный характер (см. Рис. 1-2).
Рис. 1. Бинарная фаза двухпорядкового ДОЭ, фокусирующего в кольцо
Рис. 2. Четырехуровневая фаза ДОЭ для фокусировки в букву «Б».
Для формирования подобных микрорельефов необходимо создание специальных методов, один
из возможных подходов к этому рассмотрен в настоящей статье.
1. Выбор рельефообразующего материала
Для формирования неупорядоченных мозаичных микрорельефов нами были исследованы возможности использования ряда новых записывающих сред.
В работах, посвященных электронно-микроскопическому исследованию структуры аморфных полимеров [например, 22], было установлено, что они оказываются хорошо упорядоченными системами и ближний порядок в ряде полимеров может быть выражен настолько хорошо, что в результате образуются структуры, имеющие правильную геометрическую форму. На основании изучения целого ряда объектов было показано, что структурными элементами в твердых аморфных полимерах являются глобулы и фибриллярные образования, названные «пачками цепей». Поэтому естественно предположить, что в полимерах, находящихся в аморфном состоянии, могут возникать упорядоченные области.
Школой академика Каргина [23] в пленках натурального каучука были обнаружены области с ясно выраженной структурой и определенным периодом. Эти структурные образования получались на поверхности угольной подложки при высыхании пленки каучука, растворенного в жидком растворителе. Пленка состоит из беспорядочно расположенных лент шириной порядка 100 нм.
С точки зрения образования заданной структуры при определенном воздействии на полимерную систему наиболее перспективными из известных эластомеров представляются силоксановые полимеры как наиболее гибкие.
Были проведены сравнительные исследования двух типов сетчатых эластомеров - акриловых олигоэфиров (показавших хорошие результаты формирования плавных микрорельефов в результате темнового роста [4-10]) и силоксановых олигомеров. Тонкие пленки этих двух типов эластомеров наносились на различные типы подложек и подвергались воздействию направленного инфракрасного (ИК) излучения.
В результате проведенных экспериментов выяснилось, что поверхностные характеристики пленок акриловых полиэфиров не изменялись при длительном воздействии на них направленных ИК полей.
С другой стороны, было установлено, что на поверхности силоксановых полимерных пленок, нанесенных на различные подложки, при воздействии
Рельефообразующие надмолекулярные структуры.
В.С. Соловьев, А.В. Волков, Б.О. Володкин, Н.Л. Казанский, О.В. Сторожилова
направленного ИК поля возникают периодические структурные образования.
В [24] проведен литературный обзор и исследование структур, возникающих на поверхности различных пленок при растяжении.
В [24-25] исследовано образование поверхностных структур, возникающих на поверхности объемного образца полидиметилсилоксана, заполимеризо-ванного в блоке. Настоящая работа является развитием исследований, описанных в [24-25].
2. Эксперимент
Тонкая пленка силоксанового полимера была получена центрифугированием силоксанового олиго-мера на стеклянной подложке с дальнейшей его термополимеризацией. Толщина полученной пленки составляла 0,15 мкм. Далее подложка со слоем си-локсанового полимера подвергалась воздействию направленного инфракрасного излучения в вакууме. Для проведения эксперимента использовался вакуумный универсальный пост ВУП5. В качестве источника ИК излучения использовался испаритель.
По истечению определенного времени более 40 минут на поверхности пленки) появлялась матовая структура. Если образец находился в поле ИК излучения меньшее время или пленка была недостаточно нагрета, то образования надмолекулярных структур не происходило, пороговая температура организации структур составляла около 70 оС.
Образец исследовали методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) с помощью сканирующего зон-дового микроскопа (СЗМ) "Solver-Pro".
Один из сканов (АСМ) показан на Рис.3.
На рисунке видны четко отделенные друг от друга пересекающиеся цилиндрические образования. Их поперечные размеры детерминированы, лежат в узкой пространственной области и составляют 0,450,55 мкм. Даже на первый взгляд заметна близость полученной структуры изображениям микрорельефа, приведенным на Рис. 1-2.
Рис.3. Рельефные, пересекающиеся цилиндрические образования на поверхности силоксановой пленки с поперечными размерами 0,45-0,55 мкм. Микрофотография, полученная на СЗМ.
3. Возможности управления формой самоорганизующейся надмолекулярной структуры
Проанализируем экспериментальные результаты воздействия ИК поля на образцы с силоксановым полимером.
На Рис. 4 на поверхности силоксановой полимерной пленки видны рельефные структурные образования с произвольными направлениями.
Рис.4. Структура поверхности силоксановой пленки толщиной 2 мкм на стеклянной подложке, получившаяся при воздействии ИК направленного поля.
Микрофотография, оптический микроскоп, увеличение Х700.
На Рис.5 показан участок поверхности, на который были помещены частицы размером от 1 до 20 мкм.
На рисунке видно, что в области крупных частиц рельефные структуры образуют радиальные лучи, сходящиеся на этих частицах. Данные рельефные структурные образования длинными осями выстраиваются перпендикулярно к вертикальной поверхности, находящейся в полимерной среде. В рассмотренном эксперименте роль вертикальной поверхности играют крупные частицы, лежащие на подложке.
'М1ШН1
- Л\\'1 ч
У/ЛЗДИДиИИИ
ЖШ^ЖжМ!
(((((У т _^шг Л^'^ли^^И
_^_
Рис.5. Структура поверхности силоксановой пленки
толщиной 2 мкм на стеклянной подложке, с неоднородностями в виде частиц размером 1-20 мкм, получившаяся при воздействии ИК направленного поля. Микрофотография, оптический микроскоп, увеличение Х700.
Заключение
Экспериментально показана возможность получения рельефных структурных образований на основе молекулярной организации в среде силоксанового полимера. Высота микрорельефа ДОЭ, формируемо-
го с помощью надмолекулярных структур, определяется толщиной формируемой пленки, на которой образовывается нужная надмолекулярная структура, период надмолекулярных структур можно менять меняя молекулярную массу силоксанового полимера. Установлено ориентирующее действие неоднородных частиц на молекулярную организацию структурных образований на поверхности силоксановых пленок. Проведенные эксперименты могут послужить основой для разработки новых методов формирования мозаичных микрорельефов ДОЭ на основе использования эффекта самоорганизации в тонких си-локсановых пленках. Для этого планируется поставить серию экспериментов по изучению влияния структурированного излучения на форму синтезируемой надмолекулярной структуры.
Благодарности
Работа выполнена при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований №№ 06-07-08074, 07-07-97601, 07-07-91580, 07-0212134, а также Российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» ("BRHE") и ведомственной научной программы Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы».
Литература
1. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007, 134 с.
2. Соловьев В. С. Исследование поведения слоя жидкой фотополимеризующейся композиции во время релье-фообразования // Компьютерная оптика. М.: МЦНТИ, 1992, вып.10-11.- С.145-149.
3. Волков А.В. и др.,Экспериментальное исследование массопереноса в жидких фотополимеризующихся композициях / Волков А.В., Волотовский С.Г., Гран-чак В.М., Казанский Н.Л., Моисеев О.Ю., Сойфер В.А., Соловьев В.С., Якуненкова Д.М. // Журнал технической физики. - 1995. - Т.65, № 9. - С.181-185.
4. Соловьев В.С. и др., Способ изготовления рельефно-фазовых голограмм фокусирующих элементов / Соловьев В.С., Сойфер В.А., Сисакян И.Н., Бойко Ю.Б., Гранчак В.М., Дилунг И.И.// А.С. СССР № 1624864.
5. Технология создания ДОЭ / Волков А.В., Казанский Н.Л., Сойфер В.А., Соловьев В.С., Успленьев Г.В. // В кн.: «Методы компьютерной оптики» под редакцией В. А. Сойфера. Издание 2-ое, исправленное. М.: Физ-матлит, 2003, с. 239-310.
6. Technology of DOE Fabrication / Golovashkin D.L., Ka-zanskiy N.L., Soifer V.A., Pavelyev V.S., Solovyev V.S., Usplenyev G.V., and Volkov A.V. // In the book "Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements" edited by Victor A. Soifer. A Wiley Interscience Publication. John Wiley & Sons, Inc., 2002, pp.267-345.
7. Dry photopolymer films for computer - generated infrared radiation focusing elements / Boiko Y.V., Solovjev V.S., Calixto S., Lougnot D-J. // Applied Optics, 1994, vol.33, №5, pp.787-793.
8. Sainov S., Wide spatial frequency holographic recording in photopolymer // Sainov S., Ecoffet C., Lougnot D.-J.J. Optoel. Adv. Mat., Vol.7, pp.1311-1314.
9. Lavielle L., Self-organization in dry photopolymerized acry-late films: 1. Irreversible thermodynamics analysis // Lavielle L., Lougnot D.-JJournal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 1997, Vol. 102, nos. 2-3, pp. 245-251.
10. Self-organization in dry photopolymerized acrylate films: 2. General experimental description / L. Lavielle, C. Croutxe-Barghorn, E. Schuller and D.-J. Lougnot // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 1997, Vol. 104, nos. 1-3, pp. 213-215.
11. Sweeney D.W., Harmonic diffractive lenses // Sweeney D.W., Sommargren G.E. Applied Optics. - 1995. Vol.34, № 14. - P.2469-2475.
12. Gale M.T. Direct Writing of Continues-relief Micro-optics // In the book "Micro-optics. Elements, systems and applications" edited by H.P. Herzig. Taylor & Francis, 1998, pp.87-126.
13. Коронкевич В.П., Лазерные методы трехмерного микроструктурирования оптических поверхностей // Коронкевич В.П., Полещук А.Г. В кн.: «3D лазерные информационные технологии» под редакцией П.Е. Твердохлеба. - Новосибирск: ИАиЭ СО РАН, 2003, с.243-310
14. Soifer V.A., Kotlyar V.V., Doskolovich L.L. Iterative methods for diffractive optical elements computation. -Taylor and Francis, London, 1997, 248 p.
15. Doskolovich L.L., Iterative methods for designing DOE // Doskolovich L.L., Kotlyar V.V., Soifer V.A.In the book "Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements" edited by Victor A. Soifer. A Wiley Interscience Publication. John Wiley & Sons, Inc., 2002, pp.55-158.
16. Досколович Л. Л., Расчет ДОЭ в скалярном приближении теории дифракции // Досколович Л. Л., Котляр В.В., Сойфер В.А.В кн.: «Дифракционная компьютерная оптика» под редакцией В.А. Сойфера. М.: Физматлит, 2007, с. 175-253.
17. Нелинейное предыскажение фазы для фокусировки в систему фокальных линий / Досколович Л.Л., Казанский Н.Л., Сойфер В.А., Харитонов С.И. // Научное приборостроение. - 1993. - Т.3, № 1. - С.24-37.
18. . Досколович Л.Л., Расчет двухпорядковых фокусато-ров // Досколович Л.Л., Казанский Н.Л., Сойфер В.А Автометрия. - 1993, № 1. - С.58-63.
19. Soifer V.A., Multifocal diffractive elements // Soifer V.A., Doskolovich L.L., Kazanskiy N.L. Optical Engineering, 1994, vol.33, № 11, pp.3610-3615.
20. Doskolovich L.L., DOE for Focusing the Laser Light // Doskolovich L.L., Kazanskiy N.L., Soifer V.A. In the book "Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements" edited by Victor A. Soifer. A Wiley Interscience Publication. John Wiley & Sons, Inc., 2002, pp.347-443.
21. Досколович Л.Л., Многопорядковые ДОЭ // Досколович Л.Л., Сойфер В.А. В кн.: «Дифракционная компьютерная оптика» под редакцией В. А. Сойфера. М.: Физматлит, 2007, с. 254-297.
22. Kargin V.A // J.Pol. Sci., 1958, vol. 30, p.247.
23. Каргин В. А., Электронно-микроскопическое исследование структуры каучуков // Каргин В.А., Журавлева В.Г., Берестнева З.Я. ДАН, 1962, т.144, №5, с.1089-1091.
24. Волынский А. Л., Структурная самоорганизация аморфных полимеров.// Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. - М. Физматлит, 2005.
25. Shaffer E., Thurn-Albreht T., Russel T.P. Steiner U. // Nature, 2000, vol. 403, p.874.
26. Shaffer E., Harkema S., Roedrink M. et.al. // Macro-molecules, 2003, vol. 36, №5, p. 1645.
