近年來, 在簡單體系上形成復雜規(guī)則的圖案已引起諸多學者的注意，其中以聚合物為母體的體系發(fā)展了模板、局部紫外照射和激光誘導等一系列技術, 從而得到可控的表面圖案。 本文用激光刻蝕法對濺射在聚合物膜上的金屬薄膜進行處理，在熱誘導情況下使金屬聚合物膜系表面產生了規(guī)則的圖案。薄膜熱應力的可控釋放作用和激光刻蝕造成的區(qū)域局限作用被認為是誘導這種可控圖案產生的兩種基本要素。通過控制激光刻蝕區(qū)域，可控制薄膜表面形貌變化，從而實現可控的圖案化設計。

一、實驗部分

1. 1 原料及儀器 聚苯乙烯( PS) :

數均分子量M n 為 8×10 6，中科科儀小型離子濺射儀( SBC-12) ; 精工 SⅡ SPA 400 型原子力顯微鏡； New Wave 激光刻蝕機。

1. 2 制樣

 將PS溶于甲苯， 配成 0. 3 g / mL 濃溶液, 取幾滴溶液澆鑄在玻璃基底上, 于室溫溶劑環(huán)境下放置12 h, 自然成膜后, 在真空烘箱中干燥1 h, 除去剩余溶劑, 制得的PS膜厚約為100微米。

使用離子濺射儀向PS薄膜及空白樣品( 即沒有澆鑄PS膜的玻璃基底) 上同時濺射一層金屬薄膜。所用濺射靶材為金屬鉑( Pt) , 濺射真空度3 Pa, 電流 0. 3 mA , 濺射時間 180 s, 用尖銳的刀具刮去空 白樣品上濺射的金屬薄膜, 通過原子力顯微鏡測量臺階高度, 可得到濺射的Pt薄膜膜厚約30 nm。

使用激光刻蝕機在Pt膜表面上刻蝕圖案,，將樣品放置在加熱臺上，快速升溫至PS玻璃化溫度 ( 120 ℃) 以上, 維持 10 s 左右, 自然降溫, Pt 膜表面形貌發(fā)生變化。

二、結果與討論

從無激光刻蝕的樣品熱誘導后的光學顯微鏡照片[ 圖 1( A ) ] 可看到大量無序扭曲的條紋狀物起伏地布滿樣品表面,這些條紋通常以一點為中心向3個方向扭曲發(fā)散, 多數條紋融合在一起, 呈連續(xù)狀. 用原子力顯微鏡觀察其表面形貌, 可發(fā)現這些條紋的平均寬度約 8 m, 起伏的高度則在1 m 左右。

Fig. 1 Optical micrographs showing thermally induced patt ern f ormation in bilayer metal/ polymer films

產生這種表面形變的原因是內應力釋放的結果, 通常這種內應力是由于濺射金屬薄膜和聚合物膜的熱膨脹系數不匹配造成的.。當聚合物膜處于玻璃化溫度以上時, 這些內應力會以條紋狀的塑性形變表現出來。采用凹凸模板、紫外照射或者壓印等技術, 能使表面形變圖案化.。采用簡單的激光刻蝕方法, 也實現了這種可控的表面圖案化.。刻蝕使用的激光( 532 nm, 0. 03 mJ/ pulse, 20 Hz) 能 燒蝕掉表面的金屬膜( 激光能量不足以燒蝕PS層) 。

通過激光刻蝕平行線, 能在樣品表面劃分若干個Pt/ PS復合膜的不連續(xù)矩形區(qū)域; 激光刻蝕寬度為10 m, 而刻蝕長度遠大于這個寬度, 因而不會影響圖中矩形區(qū)域的內應力, 而垂直方向的應力則由于刻蝕劃分區(qū)域而不再連續(xù)產生.。于是在應力釋放過程中, 刻蝕線附近區(qū)域的應力會選擇性釋放: 容易形成垂直或近似垂直于刻蝕線的條狀起伏 [ 圖 1( B) ] , 這樣平行刻蝕方向上的應力能得到較好的釋放; 在遠離刻蝕線的中間部分, 垂直刻蝕方向 上的應力釋放將會體現出來, 在兩個方向的應力同時作用下, 會產生類似圖 1( A ) 的無序扭曲條紋。

改變刻蝕線劃分區(qū)域寬度可控制釋放應力的方式, 寬度越窄, Pt/ PS 復合膜越會選擇平行刻蝕方向為釋放應力的主要方向, 形成的起伏條紋也越垂直于刻蝕線方向.。Pt/ PS 復合膜區(qū)域寬度約80 m [ 圖 1( C) ] , 形成條狀起伏比較規(guī)則。當寬度約 25 m 時[ 圖 1( D) ] , 可看到在 Pt/ PS復合膜區(qū)域形成規(guī)則排列的直條紋起伏, 原子力表面形貌測試表明, 這些條紋長度也為 25 m, 寬度約 11 m, 條紋等 間距約 10 m, 起伏高度約 600 nm. 可認為規(guī)則條紋的形成是平行刻蝕方向的應力釋放結果。

綜上所述, 本文簡要報道了在復合的Pt/ PS 膜上通過激光刻蝕的方法, 對熱誘導作用下產生的表面形貌進行控制。同時, 在聚碳酸酯基底上也得到類似實驗結果。這種簡單地產生且能有效控制形貌變化的方法在微電子、光學微器件、模板合成及新材料表面浸潤性等學科領域具有重要的應用前景。

文章來源高等學校化學學報 文章編號:0251-0790( 2004) 01-0157-02 作者：莊 可, 肖 珂, 王國杰, 江 雷（轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯(lián)系刪除）

關鍵詞： PS / Pt 聚合物膜; 圖案化; 應力釋放; 激光刻蝕