CZ303058B6

CZ303058B6 - Zpusob tvarování polymerních nanostruktur

Info

Publication number: CZ303058B6
Application number: CZ20090656A
Authority: CZ
Inventors: Lyutakov@Oleksiy; Hüttel@Ivan; Švorcík@Václav
Original assignee: Vysoká škola chemicko - technologická v Praze
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2012-03-14
Also published as: CZ2009656A3

Abstract

Zpusob tvarování polymerních nanostruktur spocívá v tom, že povrch polymeru (1) je vystaven periodickému tepelnému pusobení fokusovaného a povrchove skenujícího laserového svazku (4) s vlnovou délkou odpovídající maximu absorpce daného polymeru (1) a s výkonem umožnujícím prekrocení teploty tecení tvarovaného polymeru (1). Absorpcní vlastností polymeru lze v prípade potreby upravit povrchovou úpravou nebo dotací polymeru látkou (3) absorbující laserové zárení. Pro výrobu složitejších struktur (napr. optických mrížek) je proces doplnen soucasným mechanickým pohybem povrchu polymeru (1) v rovine kolmé vuci skenujícímu laserovému paprsku (4) ve smeru skenování nebo kolmo ke smeru skenování na pohyblivém stolku (5). Zpusob podle vynálezu je využitelný pro výrobu optických soucástek s optickou mrížkou s ruznou periodicitou a amplitudou a ruzne strukturovaných povrchu polymeru a tenkých polymerních vrstev v oblasti i pod 100 nm.

Description

Způsob tvarování polyroerních nanostruktur

Oblast techniky

Způsob tvarování polymemích nanostruktur se týká výroby povrchově strukturovaných polymerních materiálů a zejména tenkých polymemích vrstev. Předpokládané aplikace jsou ve výrobě íotonických prvků na bázi optických mřížek, prvků integrované optiky, elektroniky i v oblasti nanotechnologií, medicíně apod.

Dosavadní stav techniky

Pro formování polymemích struktur se využívá řada postupů. Nejznámějším je optická litografie (L. Ellada, L. W. Shacklette IEEE J, Select. Topics Quan. Electron. 2000, 6, 54). Nevýhodou je difrakční omezení vyplývající z vlnové délky použitého záření. Dále je třeba k výrobě motivů selektivní leptání, které z principu omezuje jejich kvalitu. Metody schopné nahradit fotolitografii spočívají v expozici polymemí vrstvy elektronovým nebo iontovým svazkem. Takto lze dosáhnout rozměrů řádově menších, tj. několik desítek mm. Pro praktické využití těchto postupů je nutné mimořádně složité vybavení s drahým a náročným provozem. Je značně omezena rychlost výroby tzv. průchodnost (G. Feiertag, W. Ehrfeld, H. Freimuth, H. Kolle, H. Lehr, M. Schmidt, Μ. M. Sigalasa, C. M. Soukoulis, G. Kiriakidis, T. Pedersen, J. Kuhl, W. Koenig, Appl. Phys. Lett. 1997, 71, 1441; L. Marot, F. Munnik, S. Mikhailov, Appl. Surf. Sci. 2006, 252, 7343; A. Kumar, G. M. Whitesides, Appl. Phys. Lett. 1993, 63, 2002). Bylo proto navrženo několik dalších nestandardních postupů využívajících nestabilitu tenkých polymemích filmů způsobenou působením gradientu tepelného nebo elektrického pole (E. Schaffer, S. Harkema. M. Roerdink. R. Blossey, U. Steiner, Adv. Mater., 2003, 15, 514; E. Schaffer, T. Thum-Albrecht, T. P. Russell, U. Steiner, Nátuře, 21000, 403, 874).

Gradient se zavádí pomocí horní strukturované masky. V místě nej vyššího gradientu dochází k největší nestabilitě a tvarování polymeru. Takto byly připravené struktury s nanometrickými rozměry. Výroba potřebných masek vyžaduje elektronovou litografii i v tomto případě.

Během posledních let byly vyvinuty další postupy; k nej zajímavějším patří lisování (molding), ražení (embossing), tisk (printing) (Y. Xia, E. Kim, X-M. Zhao, J. A. Rogers, M. Prentiss, G. M. Whitesides, Science 1996, 273, 347, H. W. Lehmann, R. Widmer, M. Ebnoether, A. Wokaun, M. Meier, S. K. Miller. J. Vac. Sci. Technol. B 1983, 1, 1207).

Zmíněné postupy jsou však omezeny molekulovou hmotností polymeru a jeho povrchovými vlastnostmi.

Pro polymery, které mají kovalentně navázané azo-skupiny byl prokázán i způsob formování pomocí expozice dvěma interferujícími svazky koherentního laserového záření. Takto byla tvarována prostorová mřížková struktura, která odpovídala prostorovému rozložení intenzity koherentního světla. Toto tvarování polymeru souvisí s fotomigrací a fotoorientací azoskupin (K. G. Yager, C. J. Barrett, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2001, 5, 487; C. Hubert, C. Fiorini-Debuisschert, I. Maurin, J.-M. Nunzi, P. Raimond, Adv. mater. 2002, 14, 729.

V některých posledních pracích bylo popsáno tvarování struktur i pomocí jednoho laserového svazku (C. Hubert, C. Fiorini-Debuisschert, I. Maurin, J.-M. Nunzi, P. Raimond, Adv. Mater. 2002, 14, 729).

Při přípravě této struktury dochází k interferenci mezi dopadajícím paprskem a paprskem odraženým od spodní strany substrátu. Nevýhodou je, že tyto metody lze aplikovat jen na polymery typu azo-polymerů.

I

Podstata vynálezu

Způsob tvarování polymemích nanostruktur podle vynálezu spočívá v tom, že povrch polymeru nebo tenké vrstvy je vystaven periodickému tepelnému působení fokusovaného a povrchově skenujícího laserového svazku o vlnové délce shodné s vlnovou délkou odpovídající maximální absorpci použitého polymeru a s výkonem umožňujícím překročení teploty tečení tvarovaného polymeru. Po řádcích je takto postupně periodicky skenována jen předem určená plocha polymeru.

io

Povrch polymeru nebo tenké polymemí vrstvy na podložce se s výhodou pohybuje v rovině kolmé vůči skenujícímu laserovému paprsku ve směru skenování a/nebo kolmo ke směru skenování.

Tenká polymemí vrstva je s výhodou nanesena na podložce.

Vlnovou délku odpovídající maximální absorpci polymeru nebo tenké vrstvy polymeru lze před tvarováním upravit dotací látkou absorbující laserové záření nebo je tato látka nanesena na povrch polymeru nebo na povrch tenké vrstvy polymeru. Tím lze přizpůsobit výslednou absorpci vlnové délky laseru.

Látkou absorbující laserové záření jsou chromofory vybrané ze skupiny látek tvořené porfyriny, nitro-, nitroso-, karbonylovými sloučeninami apod.

Tímto způsobem lze na povrchu polymeru připravit mřížku. Její parametry určuje míra dotace látkou absorbující laserové záření, rychlost mechanického pohybu polymeru nebo polymemí vrstvy, výkon laseru a způsob a rychlost skenování.

Zařízení pro přípravu tvarovaných polymemích nanostruktur podle vynálezu sestává z pohyblivého stolku (5), na kterém je umístěn polymer nebo tenká polymemí vrstva (1) s podložkou (2) a zdroje laserového fokusovaného svazku (4), který umožňuje skenování po řádcích povrchu polymeru nebo tenké polymemí vrstvy (1), laserovým svazkem (4) při současném pohybu stolku (5) v rovině kolmé vůči skenujícímu laserovému paprsku ve směru skenování a/nebo kolmo ke směru skenování.

Způsob tvarování povrchu polymerů nebo polymemích tenkých vrstev v oblasti nanorozměrů podle vynálezu spočívá v relativní jednoduchosti a tím i levnosti navržené technologie, K výrobě není potřebná náročná litografie. V průběhu přípravy mřížky a dalších struktur lze změnou výrobních technologických parametrů plynule měnit i jejich optické a další parametry,

Přehled obrázků na výkresech

Obr. la znázorňuje uspořádání tenké polymemí vrstvy 1 nanesené na podložce 2. Na tenké polymemí vrstvě 1 je deponována vrstva látky 3 absorbující záření.

Obr. 1 b znázorňuje totéž uspořádání po aplikaci laserového svazku.

Obr. 1c znázorňuje totéž uspořádání po aplikaci laserového svazku se současným pohybem stolku 5.

Obr. 2 znázorňuje vytvarované nanostruktury podle příkladu 1.

-2CZ 303058 B6

Příklady provedení vynálezu

Vynález je blíže objasněn na příkladech konkrétního provedení:

Příklad 1

Na odstřeďovacím zařízení při 1500 otáčkách byla připravena vrstva polymethylmethakrylátu (PMMA) ze 7% roztoku polymeru v chloroformu (tloušťka filmu 5000 nm). Polymemí vrstva byla ponořena do 0,1 až 10% roztoku porfyrinu (meso-tetrafenilporfyrin) v DMSO na dobu přibližně 1 sekundy, zbytek roztoku na povrchu polymeru byl odstraněn stékáním pod úhlem 90° a vysoušením při pokojové teplotě. Takto byl na povrch polymeru deponován porfyrin tj. látka s vysoce účinnou absorpcí světla na vlnové délce cca 400 nm. V dalším kroku byla polymemí vrstva vystavena periodickému tepelnému působení fokusovaného a povrchově skenovaného laserového svazku s výkonem 0,1 až 5 mW a současnému mechanickému pohybu polymemí vrstvy ve směru skenování (obr. la, b, c). Takto byly připraveny optické mřížky s periodicitou 0,2 až 2 pm (obr. 2).

Příklad 2

Experimentální uspořádání a příprava vzorku bylo stejné jako v příkladě 1. Měnila se rychlost mechanického pohybu. Periodicita připravených mřížek byla úměrná rychlosti pohybu. Tímto způsobem byla dosažena periodicita od 300 nm do 10 pm. Bylo možné měnit periodicitu bezprostředně během přípravy a tak realizovat i prostorově modulovanou mřížku.

Příklad 3

Experimentální uspořádání a příprava vzorku bylo stejné jako v příkladě 1. Měnila se koncentrace roztoku porfyrinu od 0,1 do 10 % a tím množství absorbující látky na povrchu polymeru. Tímto způsobem byla ovlivněna periodicita (od 100 nm do 50 pm) i amplituda připravených mřížek. Amplituda se měnila od desítek do stovek nm.

Příklad 4

Experimentální uspořádání bylo stejné, ale porfyrin jako v příkladu 1 byl rozpuštěn v roztoku chloroformu s koncentrací 0,1 % a přidán k 7% roztoku PMMA v chloroformu v poměru 1:1. Výkon laseru se měnil od 0,1 do 10 mW. Tímto způsobem se měnila amplituda připravených mřížek od 0,1 do 1 pm.

Příklad 5

Na odstřeďovacím zařízení při 1500 otáčkách byla připravena vrstva polystyrénu (PS) z 5 až 20% roztoku polymeru v toluenu. Polymemí vrstva byla ponořena do 0,1 až 10% roztoku porfyrinu v DMSO na dobu přibližně 1 sekundy, zbytek roztoku na povrchu polymeru byl odstraněn stékáním pod úhlem 90° a vysoušením při pokojové teplotě. Takto byl na povrch polymeru deponován porfyrin tj. látka s vysoce účinnou absorpcí světla na vlnové délce cca 400 nm. V dalším kroku byla polymemí vrstva vystavena periodickému tepelnému působení fokusovaného a povrchově skenovaného laserového svazku s výkonem 0,5 až 2 mW a současnému mechanickému pohybu polymemí vrstvy ve směru skenování (obr. la, b, c). Takto byly připraveny optické mřížky v závislosti na měnícím se výkonu laseru s periodicitou 0,2 až 2 pm.

Příklad 6

Na odstřeďovacím zařízení při 1500 otáčkách byla připravena vrstva Cytopu (komerčně vyráběný roztok polytetrafluorethylenu s chemicky modifikovaným makrořetězcem). Polymemí vrstva byla ponořena do 0,1 až 10% roztoku porfyrinu v DMSO na dobu přibližně 1 sekundy, zbytek roztoku na povrchu polymeru byl odstraněn stékáním pod úhlem 90° a vysoušením při pokojové teplotě. Takto byl na povrch polymeru deponován porfyrin tj. látka s vysoce účinnou absorpcí světla na vlnové délce cca 400 nm. V dalším kroku byla polymemí vrstva vystavena periodickému tepelnému působení fokusovaného a povrchově skenovaného laserového svazku s výkonem 0,5 až 2 mW a současnému mechanickému pohybu polymemí vrstvy ve směru skenování (obr. la, b, c). Takto byly připraveny optické mřížky s periodicitou 0,5 až 20 pm.

Příklad 7

Na odstřeďovacím zařízení při 1500 otáčkách byla připravena vrstva polymethylmethakrylátu (PMMA) ze 7% roztoku polymeru v chloroformu (tloušťka filmu 5000 nm). Polymemí vrstva byla ponořena do 0,1 až 1% roztoku rhodaminu B v DMSO na dobu přibližně 1 sekundy, zbytek roztoku na povrchu polymeru byl odstraněn stékáním pod úhlem 90° a vysoušením pri pokojové teplotě. Takto byl na povrch polymeru deponován rhodamin tj. látka s vysoce účinnou absorpcí světla na vlnové délce cca 5509 nm. V dalším kroku byla polymemí vrstva vystavena periodickému tepelnému působení fokusovaného a povrchově skenovaného laserového svazku s výkonem 0,1 až 5 mW a současnému mechanickému pohybu polymemí vrstvy ve směru skenování (obr. la,b, c). Takto byly připraveny optické mřížky s periodicitou 0,2 až 2 pm.

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný pro výrobu povrchově strukturovaných polymemích materiálů a zejména tenkých polymemích vrstev. Předpokládané aplikace jsou ve výrobě fotonických prvků na bázi optických mřížek, prvků integrované optiky, elektroniky i v oblasti nanotechnologií, medicíně apod.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob tvarování polymemích nanostruktur, vyznačující se tím, že povrch polymeru (1) nebo tenké polymemí vrstvy (1) je vystaven periodickému tepelnému působení fokusovaného a povrchově skenujícího laserového svazku (4) o vlnové délce shodné s vlnovou délkou odpovídající maximální absorpci použitého polymeru (l) a s výkonem umožňujícím překročení teploty tečení tvarovaného polymeru (1).
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že tenká polymemí vrstva je nanesena na podložce (2).
3. Způsob podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že se povrch polymeru (1) nebo tenké polymemí vrstvy (1) na podložce (2) pohybuje v rovině kolmé vůči skenujícímu laserovému paprsku.

-4 CZ 303058 B6
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že se povrch polymeru (1) nebo tenké polymemí vrstvy (1) na podložce (2) pohybuje v rovině kolmé vůči skenujícímu laserovému paprsku ve směru skenování a/nebo kolmo ke směru skenování.
5. Způsob podle nároků laž4, vyznačující se tím, že polymer (1) nebo tenká vrstva polymeru (l) je před tvarováním dotována látkou (3) absorbující laserové záření.
6. Způsob podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že na povrch polymeru (1) nebo na povrch tenké vrstvy (1) polymeruje před tvarováním deponována vrstva látky (3) absorbující laserové záření.
7. Způsob podle nároků 4a 5, vyznačující se tím, že látkou (3) absorbující laserové záření jsou chromofory vybrané ze skupiny látek tvořené porfyriny, nitro-, nitroso-, karbonylovýmí sloučeninami.
8. Zařízení pro přípravu tvarovaných polymemích nanostruktur podle nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že se sestává z pohyblivého stolku (5), na kterém je umístěn polymer nebo tenká polymemí vrstva (1) s podložkou (2) a zdroje laserového fokusovaného svazku (4), který umožňuje periodické skenování po řádcích povrchu polymeru nebo tenké polymemí vrstvy (1), laserovým svazkem (4) při současném pohybu stolku (5) v rovině kolmé vůči skenujícímu laserovému paprsku ve směru skenování a/nebo kolmo ke směru skenování.