RU2566371C1 - Method of making polymer-based diffraction grating - Google Patents

Method of making polymer-based diffraction grating Download PDF

Info

Publication number
RU2566371C1
RU2566371C1 RU2014131708/28A RU2014131708A RU2566371C1 RU 2566371 C1 RU2566371 C1 RU 2566371C1 RU 2014131708/28 A RU2014131708/28 A RU 2014131708/28A RU 2014131708 A RU2014131708 A RU 2014131708A RU 2566371 C1 RU2566371 C1 RU 2566371C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polymer
ion
nanoparticles
substrate
atoms
Prior art date
Application number
RU2014131708/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Львович Степанов
Владимир Иванович Нуждин
Валерий Фердинандович Валеев
Мансур Фаляхутдинович Галяутдинов
Юрий Николаевич Осин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра Российской Академии наук (КФТИ КазНЦ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра Российской Академии наук (КФТИ КазНЦ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра Российской Академии наук (КФТИ КазНЦ РАН)
Priority to RU2014131708/28A priority Critical patent/RU2566371C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2566371C1 publication Critical patent/RU2566371C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method includes forming a given periodic diffraction microstructure on a polymer substrate by implanting metal ions with energy of 4-1200 keV, with a radiation dose which provides concentration of implanted metal atoms of 2.5·1020 - 6.5·1022 atoms/cm3 in the irradiated substrate. As the substrate a light-insensitive polymer with ion beam current density of 1.5·1012 - 3.5·1013 ions/cm2·s through a surface mask is used.
EFFECT: making diffraction gratings for the visible range based on light-insensitive types of polymers with nanoparticles of different metals.
10 dwg

Description

Изобретение относится к оптике, а именно к способам изготовления дифракционных решеток для видимого диапазона, выполненных на основе полимерных материалов. Полимеры представляют особый отдельный специфический класс материалов, который может характеризоваться различными диэлектрическими, полупроводниковыми и проводниковыми свойствами, при этом коренным образом отличаясь по структуре от неорганических материалов. Полимерные материалы в настоящее время активно используются для построения различных типов оптических волноводов и управляющих светом фотонных элементов, таких как призмы, линзы и др. На практике решетки и периодические структуры на полимерной основе используются:The invention relates to optics, and in particular to methods for manufacturing diffraction gratings for the visible range, made on the basis of polymeric materials. Polymers represent a special separate specific class of materials, which can be characterized by various dielectric, semiconductor and conductor properties, while fundamentally differing in structure from inorganic materials. Polymeric materials are currently actively used to build various types of optical waveguides and photon elements controlling light, such as prisms, lenses, etc. In practice, polymer-based lattices and periodic structures are used:

- в элементах оптической коммуникации для введения в тонкопленочные волноводы лазерного излучения или фильтрации в волноводе оптического сигнала (периодические структуры - решетки Брегга);- in the elements of optical communication for introducing laser radiation into the thin-film waveguides or filtering the optical signal in the waveguide (periodic structures — Bragg gratings);

- в качестве резонаторов с распределенной обратной связью в волноводных лазерах, дифракционных элементах, используемых для управления светом [1] и др.- as resonators with distributed feedback in waveguide lasers, diffraction elements used to control light [1], etc.

Известен способ изготовления голографической дифракционной решетки на основе светочувствительного полимера, например метилполиакрилата, выбранный в качестве аналога, который заключается в формировании интерференционной картины с помощью двух пересекающихся записывающих пучков света от двух когерентных источников света, пропускаемых через призму из оптически прозрачного материала или пучка света от одного источника излучения, проходящего одновременно через две грани призмы (патент РФ №2199769, опубликованный 27.02.2003).A known method of manufacturing a holographic diffraction grating based on a photosensitive polymer, for example methyl polyacrylate, selected as an analogue, which consists in the formation of an interference pattern using two intersecting recording light beams from two coherent light sources transmitted through a prism from an optically transparent material or light beam from one a radiation source passing simultaneously through two faces of the prism (RF patent No. 2199769, published on 02.27.2003).

Недостатком способа по аналогу является то, что дифракционные решетки могут быть получены только на ограниченном типе полимеров, а именно в светочувствительных органических средах.The disadvantage of this method by analogy is that diffraction gratings can be obtained only on a limited type of polymers, namely in photosensitive organic media.

Известен [2] способ изготовления оптической дифракционной решетки, в котором формирование заданной периодической структуры (полимер, чередующийся с областями полимер/Ag-наночатицы) осуществляется восстановлением металлического прекурсора периодически распределенного в полимерной матрице. Данный способ является комбинацией двух методов: голографического упорядочения фотополимерных нанокомпозитов и фотовосстановления наночастиц серебра в пространственном периодическом поле. Для этого используется специально разработанная фотополимеризующая композиция [3], которая обеспечивает необратимое объемное диффузное перераспределение мономерной составляющей и прекурсора наночастиц серебра в интерференционном поле (голографическим способом). В результате фотохимической реакции формируются стабильные периодические пространственные структуры полимера, чередующегося с локальными областями полимера/Ag-наночастицы.There is a known [2] method for manufacturing an optical diffraction grating, in which the formation of a given periodic structure (polymer alternating with regions of polymer / Ag nanoparticles) is carried out by restoring a metal precursor periodically distributed in a polymer matrix. This method is a combination of two methods: holographic ordering of photopolymer nanocomposites and photoreduction of silver nanoparticles in a spatial periodic field. For this, a specially developed photopolymerizing composition [3] is used, which provides irreversible volumetric diffuse redistribution of the monomer component and the precursor of silver nanoparticles in the interference field (holographic method). As a result of the photochemical reaction, stable periodic spatial structures of the polymer are formed, alternating with local regions of the polymer / Ag nanoparticles.

Эта технология изготовления дифракционной решетки [2] является наиболее близкой к заявляемому способу и поэтому выбрана в качестве прототипа.This manufacturing technology of the diffraction grating [2] is the closest to the claimed method and is therefore selected as a prototype.

Недостатки прототипа:The disadvantages of the prototype:

- для возможного выполнения технологии получения решетки, описанной в прототипе [2], обязательным условием является использование только специальной фотополимеризующей композиции, что снижает доступный набор типов полимеров, возможных для конструирования различных оптических элементов (волноводов, призм, линз и т.д.) и которые не совпадают с полимерами наиболее массово используемых на практике в настоящее время, таких как, например, полиметилметакрилат (ПММА), полиимид, эпоксидные смолы и др. [4];- for the possible implementation of the technology for producing the lattice described in the prototype [2], a prerequisite is the use of only a special photopolymerizing composition, which reduces the available set of types of polymers that are possible for the construction of various optical elements (waveguides, prisms, lenses, etc.) and which do not coincide with the polymers most widely used in practice at present, such as, for example, polymethyl methacrylate (PMMA), polyimide, epoxy resins, etc. [4];

- применяемая в способе [2] методика фотохимической реакции предусматривает восстановление таким способом только наночастиц металла - серебра, и не позволяет использовать другие типы металлов для формирования периодических структур и дифракционных решеток на основе полимерной матрицы.- the photochemical reaction technique used in the method [2] provides for the reduction in this way of only metal nanoparticles — silver, and does not allow the use of other types of metals to form periodic structures and diffraction gratings based on a polymer matrix.

Решаемая техническая задача в заявляемом способе заключается в обеспечении возможности изготовления дифракционных решеток на основе несветочувствительных типов полимеров с наночастицами различных металлов.The technical problem to be solved in the claimed method consists in providing the possibility of manufacturing diffraction gratings based on non-photosensitive types of polymers with nanoparticles of various metals.

Поставленная техническая задача в предлагаемом способе изготовления дифракционной решетки на полимерной основе, включающем формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры на полимерной подложке, достигается тем, что формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры осуществляют с помощью имплантаций ионами металла с энергией 4-1200 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла 2.5·1020 - 6.5·1022 атомов/см3, в облучаемой подложке, в качестве которой используют несветочувствительный полимер, плотностью тока ионного пучка 1.5·1012 - 3.5·1013 ион/см2с через поверхностную маску.The technical problem posed in the proposed method for manufacturing a polymer-based diffraction grating, including the formation of a given periodic diffraction microstructure on a polymer substrate, is achieved by the formation of a given periodic diffraction microstructure using implantations with metal ions with an energy of 4-1200 keV, a radiation dose that provides a concentration metal atoms introduced 2.5 × 10 20 - 6.5 · October 22 atoms / cm 3, the irradiated substrate, which is used as nesvetochuvstvite ny polymer ion beam current density of 1.5 10 12 - 3.5 10 13 ions / cm 2 through the mask surface.

На фиг. 1 показан чертеж в изометрии дифракционной решетки (изделия), содержащей: 1 - подложку из несветочувствительного полимера; 2 - имплантированные ячейки; 3 - необлученные перегородки между ячейками.In FIG. 1 shows an isometric drawing of a diffraction grating (product) comprising: 1 — a substrate of a non-photosensitive polymer; 2 - implanted cells; 3 - unirradiated partitions between cells.

На фиг. 2 показано рассчитанное распределение имплантированного серебра по глубине в ПММА, при энергии облучения 30 кэВ.In FIG. Figure 2 shows the calculated depth distribution of implanted silver in PMMA at an irradiation energy of 30 keV.

На фиг. 3 показаны спектры оптического пропускания необлученного ПММА (а) и ПММА с ионно-синтезированными наночастицами серебра (б).In FIG. Figure 3 shows the optical transmission spectra of unirradiated PMMA (a) and PMMA with ion-synthesized silver nanoparticles (b).

На фиг. 4 показано ПЭМ-изображение, полученное на просвечивающем электронном микроскопе, поверхности ПММА с наночастицами серебра, синтезированными с помощью ионной имплантации.In FIG. Figure 4 shows a TEM image obtained by a transmission electron microscope on the surface of PMMA with silver nanoparticles synthesized by ion implantation.

На фиг. 5 показано АСМ-изображение, полученное на атомно-силовом микроскопе, микроструктурированного ПММА (фрагмента дифракционной решетки), имплантированного ионами серебра через поверхностную маску.In FIG. Figure 5 shows an AFM image obtained using an atomic force microscope of a microstructured PMMA (diffraction grating fragment) implanted with silver ions through a surface mask.

На фиг. 6 показано изображение картины дифракционного рассеяния, полученное на экране при пропускании света от микроструктурированного ПММА с ионно-синтезированными наночастицами серебра, зондируемого лазером на длине волны 527 нм.In FIG. Figure 6 shows the image of the diffraction scattering pattern obtained on the screen when transmitting light from microstructured PMMA with ion-synthesized silver nanoparticles probed by a laser at a wavelength of 527 nm.

На фиг. 7 показано ПЭМ-изображение, полученное на просвечивающем электронном микроскопе, поверхности эпоксидной смолы с наночастицами серебра, синтезированными с помощью ионной имплантации.In FIG. 7 shows a TEM image obtained by a transmission electron microscope, the surface of an epoxy resin with silver nanoparticles synthesized by ion implantation.

На фиг. 8 показан спектр оптического поглощения эпоксидной смолы (а) и эпоксидной смолы с ионно-синтезированными наночастицами серебра (б).In FIG. 8 shows the optical absorption spectrum of (a) epoxy and epoxy with ion-synthesized silver nanoparticles (b).

Фиг. 9. ПЭМ-изображение, полученное на просвечивающем электронном микроскопе, поверхности эпоксидной смолы с наночастицами кобальта, синтезированными с помощью ионной имплантации. Слева внизу на вставке приведена электронная микродифракция наночастиц кобальта.FIG. 9. TEM image obtained on a transmission electron microscope, the surface of an epoxy resin with cobalt nanoparticles synthesized by ion implantation. The bottom left of the inset shows electron microdiffraction of cobalt nanoparticles.

На фиг. 10. Показан спектр оптического пропускания полиимида (а) и полиимида с ионно-синтезированными наночастицами меди (б).In FIG. 10. The optical transmission spectrum of (a) polyimide and polyimide with ion-synthesized copper nanoparticles (b) is shown.

Рассмотрим осуществление предлагаемого способа на конкретных примерах.Consider the implementation of the proposed method with specific examples.

Пример 1. Рассмотрим способ изготовления дифракционной решетки на полимерной основе, включающий формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры на полимерной подложке предлагаемым способом, заключающимся в формировании заданной дифракционной периодической микроструктуры с помощью имплантации на ускорителе ИЛУ-3 ионами металла - Ag+ с энергией Е=30 кэВ, дозой облучения D=2.5·1016 ион/см2, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла 1.0·1022 атомов/см3 в облучаемой подложке, в качестве которой используют несветочувствительный полимер (ПММА), плотностью тока в ионном пучке J=1·1013 ион/см2с через поверхностную маску - металлическую сетку с размерами ячейки 25 мкм.Example 1. Consider a method of manufacturing a diffraction grating on a polymer basis, including the formation of a given diffraction periodic microstructure on a polymer substrate by the proposed method, which consists in the formation of a given diffraction periodic microstructure using implantation on the ILU-3 accelerator with metal ions - Ag + with an energy of E = 30 keV , the irradiation dose D = 2.5 · 10 16 ion / cm 2 providing a concentration of introduced metal atoms of 1.0 · 10 22 atoms / cm 3 in the irradiated substrate, which is used as non-light an appreciable polymer (PMMA) with a current density in the ion beam of J = 1 · 10 13 ion / cm 2 s through a surface mask — a metal mesh with a mesh size of 25 μm.

На фиг. 1 показан в изометрии чертеж дифракционной решетки на полимерной основе (изделия), содержащей подложку 1 (выполненную из несветочувствительного полимерного материала) с дифракционной периодической микроструктурой на ее поверхности, элементами которой являются области, подвергнутые ионному облучению - имплантированные ячейки 2, и характеризуемые другой диэлектрической проницаемостью относительно материала подложки 1. Дифракционная периодическая микроструктура имплантированных ячеек 2 содержит ионно-синтезированные металлические наночастицы, диспергированные в приповерхностной области подложки 1 на толщине слоя от 20 до 500 нм при концентрации атомов металла 2.5·1020 - 6.5·1022 атомов/см3. Необлученные перегородки 3, находящиеся между имплантированными ячейками 2, имеют туже диэлектрическую проницаемость, что и оптически-прозрачная подложка 1.In FIG. 1 is an isometric drawing of a polymer-based diffraction grating (product) containing a substrate 1 (made of a non-photosensitive polymer material) with a diffractive periodic microstructure on its surface, the elements of which are regions subjected to ion irradiation — implanted cells 2, and characterized by a different dielectric constant relative to the substrate material 1. The diffraction periodic microstructure of the implanted cells 2 contains ion-synthesized metal ochastitsy dispersed in the surface region of the substrate 1 to a layer thickness of from 20 to 500 nm at a concentration of metal atoms of 2.5 × 10 20 - 6.5 · October 22 atoms / cm 3. Unirradiated partitions 3 located between the implanted cells 2 have the same dielectric constant as the optically transparent substrate 1.

Моделирование концентрационных профилей распределения имплантированного серебра с энергией 30 кэВ в ПММА по глубине с помощью компьютерного алгоритма SRIM-2013 [5] (фиг. 2) показало, что в приповерхностном имплантированном слое полимера происходит накопление атомов серебра, приводящее к зарождению и росту металлических наночастиц. Общая толщина имплантированного слоя с наночастицами серебра, а следовательно, и толщина активного слоя в формируемой дифракционной решетки в ПММА, для данных условий имплантации, не превышает 100 нм.Modeling the concentration profiles of the distribution of implanted silver with an energy of 30 keV in PMMA in depth using the computer algorithm SRIM-2013 [5] (Fig. 2) showed that silver atoms accumulate in the surface of the implanted polymer layer, leading to the nucleation and growth of metal nanoparticles. The total thickness of the implanted layer with silver nanoparticles, and therefore the thickness of the active layer in the formed diffraction grating in PMMA, for these implantation conditions, does not exceed 100 nm.

На фиг. 3. приведены экспериментальные спектры линейного оптического пропускания для исходного ПММА, а также имплантированного ионами серебра (Ag:ПММА), измеренные на двухлучевом спектрометре Hitach-330. В отличие от исходной матрицы ПММА фиг. 3 (а), имплантированный образец Ag:ПММА фиг. 3 (б) характеризируется наличием в видимой области спектра селективной полосы поглощения с максимумом ~500 нм. Данная полоса указывает на формирование в ПММА наночастиц серебра, и она обусловлена проявлением эффекта поверхностного плазменного резонанса в металлических наночастицах [6].In FIG. Figure 3 shows the experimental linear optical transmission spectra for the initial PMMA and also implanted with silver ions (Ag: PMMA), measured on a Hitach-330 two-beam spectrometer. Unlike the original PMMA matrix of FIG. 3 (a), implanted Ag sample: PMMA of FIG. 3 (b) is characterized by the presence in the visible region of the spectrum of a selective absorption band with a maximum of ~ 500 nm. This band indicates the formation of silver nanoparticles in PMMA, and it is due to the manifestation of the effect of surface plasma resonance in metal nanoparticles [6].

Изображение, полученное на просвечивающем электронном микроскопе - TESLA ВS-500, (ПЭМ-изображение) поверхности ПММА в области полимера, не покрытого сетчатой маской, после имплантации ионами серебра, приведено на фиг. 4. В отличие от необлученного полимера, на микрофотографии видны наночастицы сферической формы. Из анализа микродифракции (фотография не приводится) следует, что сферические образования имеют гранецентрированную кубическую решетку с постоянной, соответствующей металлическому серебру. Изображение микродифракции характеризуются набором тонких колец поликристаллического типа от наночастиц серебра, наблюдаемом на фоне широких диффузных дифракционно-размытых колец низкой интенсивности, соответствующих аморфной полимерной матрице. Сравнение экспериментальных дифракционных картин со стандартными международными табличными рентгеновскими ASTM-данными позволяет заключить, что образование каких-либо химических соединений с ионами серебра при ионной имплантации не происходит.The image obtained by transmission electron microscope - TESLA BS-500, (TEM image) of the PMMA surface in the region of the polymer not covered with a mesh mask, after implantation with silver ions, is shown in FIG. 4. Unlike unirradiated polymer, spherical nanoparticles are visible in the micrograph. From the analysis of microdiffraction (photograph not shown) it follows that the spherical formations have a face-centered cubic lattice with a constant corresponding to metallic silver. Microdiffraction images are characterized by a set of thin rings of a polycrystalline type from silver nanoparticles, observed against the background of wide diffuse diffraction-diffused low-intensity rings corresponding to an amorphous polymer matrix. Comparison of experimental diffraction patterns with standard international tabular x-ray ASTM data allows us to conclude that the formation of any chemical compounds with silver ions does not occur during ion implantation.

Поверхностные микроструктуры на имплантированном ионами серебра через маску ПММА, наблюдаемые на атомно-силовом микроскопе FastScan Brucker (ACM), приведены на фиг. 5. На АСМ-изображении видно, что поверхность образца представляет собой упорядоченную решетку с ячейками размером 25 мкм, которые сформированы при имплантации ПММА ионами серебра в заданном режиме. При этом квадратная область ячеек представляет собой ионно-облученный ПММА, т.е. структуру полимера с наночастицами серебра, наблюдаемыми на фиг. 4, характеризуемыми селективным плазменным поглощением. Стенки между квадратными ячейками решетки состоят из необлученного полимера. Дифракционная решетка, показанная на фиг. 5, сформирована в соответствии с заданным чертежом, изометрическое изображение которого приведено на фиг. 1.Surface microstructures implanted with silver ions through a PMMA mask, observed with a FastScan Brucker atomic force microscope (ACM), are shown in FIG. 5. The AFM image shows that the surface of the sample is an ordered lattice with 25 μm cells, which are formed upon implantation of PMMA with silver ions in a given mode. In this case, the square region of the cells is ion-irradiated PMMA, i.e. the structure of the polymer with silver nanoparticles observed in FIG. 4 characterized by selective plasma absorption. The walls between the square lattice cells are composed of unirradiated polymer. The diffraction grating shown in FIG. 5 is formed in accordance with a predetermined drawing, an isometric image of which is shown in FIG. one.

Поскольку известно, что имплантация ионов металла в диэлектрик приводит к увеличению его показателя преломления вплоть до ~1.7-1.9 для видимой области спектра (особенно на частотах плазменного резонанса металлических наночастиц) [7], то очевидно, что в результате имплантации ПММА через маску формируется микроструктура с периодически зменяемым распределением оптических констант материала, т.е. между ячейками решетки и ее стенками (nПММА=1.5).Since it is known that implantation of metal ions into a dielectric increases its refractive index up to ~ 1.7–1.9 for the visible spectral region (especially at the plasma resonance frequencies of metal nanoparticles) [7], it is obvious that a microstructure is formed as a result of PMMA implantation through a mask with a periodically variable distribution of the optical constants of the material, i.e. between the lattice cells and its walls (n PMMA = 1.5).

Таким образом, сформированная имплантацией микроструктура с периодически изменяемым показателем преломления (диэлектрической проницаемостью) представляет собой дифракционную решетку. На фиг. 6 приведено дифракционное изображение, регистрируемое при зондировании сформированной решетки лазером на длине волны 527 нм.Thus, the microstructure formed by implantation with a periodically variable refractive index (dielectric constant) is a diffraction grating. In FIG. Figure 6 shows the diffraction image recorded by probing the formed grating with a laser at a wavelength of 527 nm.

Пример 2. В качестве подложки используется несветочувствительный полимер - эпоксидная смола, которая характеризуется относительно высокой оптической прозрачностью в широком спектральном диапазоне от 350 до 900 нм.Example 2. As a substrate, a non-photosensitive polymer is used - an epoxy resin, which is characterized by a relatively high optical transparency in a wide spectral range from 350 to 900 nm.

Имплантацию проводят однозарядными ионами Ag+ с энергией Е=30 кэВ, дозой D=3·1016 ион/см2 (концентрация - 2.2·1022 атомов/см3) и плотностью тока в ионном пучке J=3.2·1013 ион/см2·с. Остальные технологические операции и режимы ионной имплантации, связанные с облучением через поверхностную маску, такие, как и в первом примере конкретной реализации предлагаемой дифракционной решетки на полимерной основе.The implantation is carried out by singly charged Ag + ions with an energy of E = 30 keV, a dose of D = 3 · 10 16 ion / cm 2 (concentration - 2.2 · 10 22 atoms / cm 3 ) and a current density in the ion beam of J = 3.2 · 10 13 ion / cm 2 · s. Other technological operations and modes of ion implantation associated with irradiation through a surface mask, such as in the first example of a specific implementation of the proposed diffraction grating on a polymer basis.

ПЭМ-изображение поверхности эпоксидной смолы имплантированной ионами серебра приведено на фиг. 7, на которой отчетливо видны сферические синтезированные наночастицы серебра.A TEM image of the surface of an epoxy resin implanted with silver ions is shown in FIG. 7, on which the spherical synthesized silver nanoparticles are clearly visible.

Спектр оптического поглощения синтезированного образца, измеренный на спектрометре Hitachi-330, приведен на фиг. 8. В результате ионной имплантации полимера в спектре композиционного материала появляется селективная полоса плазменного поглощения с максимумом вблизи 495 нм, соответствующая ионно-синтезируемым наночастицам серебра [6].The optical absorption spectrum of the synthesized sample, measured on a Hitachi-330 spectrometer, is shown in FIG. 8. As a result of ion implantation of the polymer, a selective plasma absorption band appears in the spectrum of the composite material with a maximum near 495 nm, corresponding to ion-synthesized silver nanoparticles [6].

Пример 3. В качестве подложки используется несветочувствительный полимер - эпоксидная смола,. которая характеризуется относительно высокой оптической прозрачностью в широком спектральном диапазоне от 350 до 900 нм.Example 3. As a substrate, a non-photosensitive polymer is used - epoxy resin. which is characterized by a relatively high optical transparency in a wide spectral range from 350 to 900 nm.

Имплантацию проводят однозарядными ионами Co+ с энергией Е=40 кэВ, дозой D=1·1017 ион/см2 (концентрация - 0.7·1022 атомов/см3) и плотностью тока в ионном пучке J=3.2·1013 ион/см2·с. Остальные технологические операции и режимы ионной имплантации, связанные с облучением через поверхностную маску, такие, как и в первом примере конкретной реализации предлагаемой дифракционной решетки на полимерной основе.The implantation is carried out by singly charged Co + ions with an energy of E = 40 keV, a dose of D = 1 · 10 17 ion / cm 2 (concentration - 0.7 · 10 22 atoms / cm 3 ) and a current density in the ion beam of J = 3.2 · 10 13 ion / cm 2 · s. Other technological operations and modes of ion implantation associated with irradiation through a surface mask, such as in the first example of a specific implementation of the proposed diffraction grating on a polymer basis.

ПЭМ-изображение поверхности эпоксидной смолы имплантированной ионами кобальта приведено на фиг. 9, на которой отчетливо видны сферические синтезированные наночастицы кобальта. На этом же рисунке на вставке приведена электронная микродифракция, подтверждающая образование наночастиц кобальта. Сравнение экспериментальных дифракционных картин со стандартными международными табличными рентгеновскими ASTM-данными позволяет заключить, что образование каких-либо химических соединений с ионами кобальта при ионной имплантации не происходит.A TEM image of the surface of an epoxy resin implanted with cobalt ions is shown in FIG. 9, on which the spherical synthesized cobalt nanoparticles are clearly visible. The same figure in the inset shows electron microdiffraction, which confirms the formation of cobalt nanoparticles. Comparison of experimental diffraction patterns with standard international tabular x-ray ASTM data allows us to conclude that the formation of any chemical compounds with cobalt ions does not occur during ion implantation.

Пример 4. В качестве подложки используется несветочувствительный полимер - полиимид, характеризующийся высокой прозрачностью (около 90%) в широком спектральном диапазоне от 200 до 1000 нм.Example 4. As a substrate, a non-photosensitive polymer, a polyimide, is used, which is characterized by high transparency (about 90%) in a wide spectral range from 200 to 1000 nm.

Имплантацию проводят однозарядными ионами Cu+ с энергией Е=40 кэВ, дозой D=5.0·1016 ион/см2 (концентрация - 2.0·1022 атомов/см3) и плотностью тока в ионном пучке J=3.5·1013 ион/см2·с. Остальные технологические операции и режимы ионной имплантации, связанные с облучением через поверхностную маску, такие, как и в первом примере конкретной реализации предлагаемой дифракционной решетки на полимерной основе.The implantation is carried out by singly charged Cu + ions with an energy of E = 40 keV, a dose of D = 5.0 · 10 16 ion / cm 2 (concentration - 2.0 · 10 22 atoms / cm 3 ) and a current density in the ion beam of J = 3.5 · 10 13 ion / cm 2 · s. Other technological operations and modes of ion implantation associated with irradiation through a surface mask, such as in the first example of a specific implementation of the proposed diffraction grating on a polymer basis.

Спектр оптического пропускания синтезированного образца, измеренный на спектрометре Hitachi-330, приведен на фиг. 10. В результате ионной имплантации полимера в спектре композиционного материала появляется селективная полоса плазменного поглощения с максимумом вблизи 630 нм, соответствующая ионно-синтезируемым наночастицам меди [6].The optical transmission spectrum of the synthesized sample, measured on a Hitachi-330 spectrometer, is shown in FIG. 10. As a result of ion implantation of the polymer, a selective plasma absorption band appears in the spectrum of the composite material with a maximum near 630 nm, corresponding to ion-synthesized copper nanoparticles [6].

При изготовлении дифракционной решетки на полимерной основе режимы ионной имплантации по параметрам имеют следующие ограничения: Е=4-1200 кэВ, D должна обеспечивать концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 2.5·1020 - 6.5·1022 атомов/см3, J=1.5·1012 - 3.5·1014 ион/см2·c. За границами этих режимов не достигается необходимого технического результата, и качество изготовленных дифракционных решеток на полимерной основе не будет соответствовать необходимым требованиям.In the manufacture of a polymer-based diffraction grating, the ion implantation regimes according to the parameters have the following limitations: E = 4-1200 keV, D must provide a concentration of introduced metal atoms in the irradiated substrate of 2.5 · 10 20 - 6.5 · 10 22 atoms / cm 3 , J = 1.5 · 10 12 - 3.5 · 10 14 ion / cm 2 · s. Beyond the boundaries of these regimes, the necessary technical result is not achieved, and the quality of the manufactured polymer-based diffraction gratings will not meet the necessary requirements.

Доза облучения определяется необходимым количеством атомов металлического вещества, чтобы, во-первых, обеспечить высокий контраст в коэффициентах отражения формируемых элементов дифракционной решетки, т.е. должны быть синтезированы достаточно крупные металлические наночастицы, проявляющие селективное плазменное отражение и поглощение для наночастиц благородных металлов или релеевское рассеяние, например, для наночастиц переходных металлов. Это условие, согласно нашим исследованиям зависимости появления оптического сигнала у металлических наночастиц от дозы имплантации, выполняется при концентрациях атомов металла в облучаемом полимере порядка 2.5·1020 атомов/см3. Во-вторых, количество внедренной примеси не должно превышать той дозы, при которой начнется слипание растущих металлических наночастиц, приводящее к образованию сплошной металлической пленки, и по нашим оценкам составляет не более 6.5·1022 атомов/см3.The radiation dose is determined by the required number of atoms of the metal substance in order, firstly, to provide high contrast in the reflection coefficients of the formed elements of the diffraction grating, i.e. sufficiently large metal nanoparticles should be synthesized, exhibiting selective plasma reflection and absorption for noble metal nanoparticles or Rayleigh scattering, for example, for transition metal nanoparticles. This condition, according to our studies of the dependence of the appearance of the optical signal in metal nanoparticles on the implantation dose, is fulfilled at metal atom concentrations in the irradiated polymer of the order of 2.5 · 10 20 atoms / cm 3 . Secondly, the amount of embedded impurity should not exceed the dose at which the adhesion of growing metal nanoparticles begins, leading to the formation of a continuous metal film, and according to our estimates, is not more than 6.5 · 10 22 atoms / cm 3 .

Плотность тока в ионном пучке J определяет, с одной стороны, время набора дозы имплантации, а с другой - степень нагрева облучаемого материала. Экспериментально установлено, что при J=3.5·1013 ион/см2·с температура облучаемой поверхности образца увеличивается и приводит к ее разрушению (изменению). Облучение с малой плотностью ионного тока нецелесообразно увеличивает время имплантации. Поэтому минимальная плотность ионного тока ограничена величиной J=1.5·1012 ион/см2·c.The current density in the ion beam J determines, on the one hand, the time it takes for the implantation dose to be set, and on the other hand, the degree of heating of the irradiated material. It was experimentally established that at J = 3.5 · 10 13 ion / cm 2 · s, the temperature of the irradiated surface of the sample increases and leads to its destruction (change). Irradiation with a low ion current density does not expediently increase the implantation time. Therefore, the minimum ion current density is limited to J = 1.5 · 10 12 ion / cm 2 · s.

Энергия иона Е обуславливает величину его среднего проекционного пробега, которое определяет глубину залегания имплантированного иона, а следовательно, толщину модифицированного слоя и дифракционной решетки. Сверху энергия ускорения иона ограничена величиной Е=1200 кэВ, поскольку при увеличении данной энергии имплантации и разумной длительности облучения не достигается требуемая концентрация примеси атомов металла, необходимая для зарождения на большой глубине металлических наночастиц. Ограничение снизу величиной Е=4 кэВ, согласно нашим экспериментам, связано с тем, что при дальнейшем уменьшении Е не удается получить столь крупные элементы структуры решетки, на которых бы наблюдалась дифракция света.The energy of the ion E determines the value of its average projection range, which determines the depth of the implanted ion, and therefore the thickness of the modified layer and diffraction grating. From above, the ion acceleration energy is limited to E = 1200 keV, since with an increase in this implantation energy and a reasonable duration of irradiation, the required concentration of metal atom impurity is not reached, which is necessary for nucleation of metal nanoparticles at a great depth. The lower limit for E = 4 keV, according to our experiments, is due to the fact that with a further decrease in E, it is not possible to obtain such large elements of the lattice structure on which light diffraction is observed.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет изготавливать дифракционные решетки на полимерной основе, на основе несветочувствительных полимеров при использовании различных типов металлов.Compared with the prototype, the proposed method allows to manufacture diffraction gratings on a polymer basis, based on non-photosensitive polymers using various types of metals.

Список цитируемой литературыList of references

1. Дифракционная нанофотоника. Ред. Сойфер В.А. М.: Физматлид 2011.1. Diffraction nanophotonics. Ed. Soifer V.A. M .: Fizmatlid 2011.

2. Кохтич Л.М., Смирнова Т.Н., Куценко А.С. Новый метод формирования периодических структур полимер - наночастицы серебра. Труды научно-практической конференции «Голография. Наука и практика» и the 6-th international conference „HOLOEXPO-2009″, 1-2 июля 2009, Киев, Украина. С.223-224.2. Kokhtich L.M., Smirnova T.N., Kutsenko A.S. A new method of forming periodic polymer structures - silver nanoparticles. Proceedings of the scientific-practical conference “Holography. Science and Practice ”and the 6th international conference“ HOLOEXPO-2009 ″, July 1-2, 2009, Kiev, Ukraine. S.223-224.

3. Смирнова А.Л., Кохтич Л.М., Сахно О.В., Штумпе И. Голографические нанокомпозиты для записи периодических структур полимер-наночастицы. I. Общий подход к выбору компонент нанокомпозитов и их голографические свойства. / Оптика и спектроскопия. 2011. Т.110. №1. С.135-142.3. Smirnova A. L., Kokhtich L. M., Sakhno O. V., Stump I. Holographic nanocomposites for recording periodic polymer-nanoparticle structures. I. General approach to the selection of components of nanocomposites and their holographic properties. / Optics and spectroscopy. 2011.V. 110. No. 1. S.135-142.

4. Серова В.Н. Полимерные материалы для оптики. М.: Научные основы и технологии 2011.4. Serova V.N. Polymer materials for optics. M .: Scientific foundations and technologies 2011.

5. Ziegel J.F., Biersak J.R, Littmark U. The stopping and range of ions in solids. N.Y.: Pergamon, 1996.5. Ziegel J.F., Biersak J.R., Littmark U. The stopping and range of ions in solids. N.Y .: Pergamon, 1996.

6. Kreibig U., Vollmer М. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer. 1995.6. Kreibig U., Vollmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer. 1995.

7. Faik A., Allen L., Etcher C., Gagola A., Townsend P.D. Dispersion and luminescence measurements of optical waveguides / J. Appl. Phys. 1983. V.54. P.2597-2601.7. Faik A., Allen L., Etcher C., Gagola A., Townsend P.D. Dispersion and luminescence measurements of optical waveguides / J. Appl. Phys. 1983. V. 54. P.2597-2601.

Claims (1)

Способ изготовления дифракционной решетки на полимерной основе, включающий формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры на полимерной подложке, отличающийся тем, что формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры осуществляют с помощью имплантаций ионами металла с энергией 4-1200 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла 2.5·1020 - 6.5·1022 атомов/см3 в облучаемой подложке, в качестве которой используют несветочувствительный полимер, плотностью тока ионного пучка 1.5·1012 - 3.5·1013 ион/см2·с через поверхностную маску. A method of manufacturing a polymer-based diffraction grating, including the formation of a given periodic diffraction microstructure on a polymer substrate, characterized in that the formation of a given periodic diffraction microstructure is carried out by implantation with metal ions with an energy of 4-1200 keV, an irradiation dose that provides a concentration of introduced metal atoms of 2.5 · 10 20 - 6.5 · 10 22 atoms / cm 3 in the irradiated substrate, which is used as a non-photosensitive polymer, with an ion beam current density of 1.5 · 10 1 2 - 3.5 · 10 13 ion / cm 2 · s through a surface mask.
RU2014131708/28A 2014-07-30 2014-07-30 Method of making polymer-based diffraction grating RU2566371C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014131708/28A RU2566371C1 (en) 2014-07-30 2014-07-30 Method of making polymer-based diffraction grating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014131708/28A RU2566371C1 (en) 2014-07-30 2014-07-30 Method of making polymer-based diffraction grating

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2566371C1 true RU2566371C1 (en) 2015-10-27

Family

ID=54362202

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014131708/28A RU2566371C1 (en) 2014-07-30 2014-07-30 Method of making polymer-based diffraction grating

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2566371C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2120653C1 (en) * 1997-08-19 1998-10-20 Казанский физико-технический институт Казанского научного центра РАН Process of generation of hologram on silicon
WO2002086200A1 (en) * 2001-04-23 2002-10-31 Universität Basel Production method for atomic and molecular patterns on surfaces and nanostructured devices
JP2006183111A (en) * 2004-12-28 2006-07-13 Shimadzu Corp Method for manufacturing diffraction grating
MD341Z (en) * 2010-07-30 2011-09-30 Институт Прикладной Физики Академии Наук Молдовы Method for manufacturing relief holographic diffraction gratings

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2120653C1 (en) * 1997-08-19 1998-10-20 Казанский физико-технический институт Казанского научного центра РАН Process of generation of hologram on silicon
WO2002086200A1 (en) * 2001-04-23 2002-10-31 Universität Basel Production method for atomic and molecular patterns on surfaces and nanostructured devices
JP2006183111A (en) * 2004-12-28 2006-07-13 Shimadzu Corp Method for manufacturing diffraction grating
MD341Z (en) * 2010-07-30 2011-09-30 Институт Прикладной Физики Академии Наук Молдовы Method for manufacturing relief holographic diffraction gratings

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Stepanov Optical properties of metal nanoparticles synthesized in a polymer by ion implantation: a review
Stepanov et al. Synthesis of periodic plasmonic microstructures with copper nanoparticles in silica glass by low-energy ion implantation
Stepanov Synthesis of silver nanoparticles in dielectric matrix by ion implantation: A review
EP2965130B1 (en) Synthetic diamond optical elements
Chan et al. Photonic band-gap formation by optical-phase-mask lithography
Maka et al. Three dimensional photonic crystals in the visible regime
Galisteo et al. Self-assembly approach to optical metamaterials
Popok et al. Synthesis of silver nanoparticles by the ion implantation method and investigation of their optical properties
Gu et al. Fabrication of three‐dimensional photonic crystals in quantum‐dot‐based materials
Grineviciute et al. Angular filtering by Bragg photonic microstructures fabricated by physical vapour deposition
Cui et al. Low-temperature fabrication of single-crystal ZnO nanopillar photonic bandgap structures
Garcia-Santiago et al. Toward maximally electromagnetically chiral scatterers at optical frequencies
Galyautdinov et al. Formation of a periodic diffractive structure based on poly (methyl methacrylate) with ion-implanted silver nanoparticles
RU2566371C1 (en) Method of making polymer-based diffraction grating
RU2561197C1 (en) Polymer based diffraction grating
Mahmood et al. Creating two-dimensional quasicrystal, supercell, and Moiré lattices with laser interference lithography: implications for photonic bandgap materials
RU148395U1 (en) POLYMER BASED DIFFERENCE GRILLE
RU140494U1 (en) DIFFRACTION GRATING
Yan et al. Multilayer Laue lens: a path toward one nanometer x-ray focusing
Anderson et al. Formation and optical properties of metal nanoclusters formed by sequential implantation of Cd and Ag in silica
Goi et al. A Layered‐Composite Nanometric Sb2Te3 Material for Chiral Photonic Bandgap Engineering
Recio-Sánchez et al. Nanostructured porous silicon photonic crystal for applications in the infrared
RU2593912C1 (en) Method of diffraction periodic microstructure making based on porous silicon
RU2597801C1 (en) Diffraction periodic microstructure based on porous silicon
RU2707766C1 (en) Method of forming an element of x-ray optics