近年來(lái), 在簡(jiǎn)單體系上形成復(fù)雜規(guī)則的圖案已引起諸多學(xué)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(dǎo)等一系列技術(shù), 從而得到可控的表面圖案。 本文用激光刻蝕法對(duì)濺射在聚合物膜上的金屬薄膜進(jìn)行處理，在熱誘導(dǎo)情況下使金屬聚合物膜系表面產(chǎn)生了規(guī)則的圖案。薄膜熱應(yīng)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(rèn)為是誘導(dǎo)這種可控圖案產(chǎn)生的兩種基本要素。通過(guò)控制激光刻蝕區(qū)域，可控制薄膜表面形貌變化，從而實(shí)現(xiàn)可控的圖案化設(shè)計(jì)。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1. 1 原料及儀器 聚苯乙烯( PS) :

數(shù)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(jī)。

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(méi)有澆鑄PS膜的玻璃基底) 上同時(shí)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(shí)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(guò)原子力顯微鏡測(cè)量臺(tái)階高度, 可得到濺射的Pt薄膜膜厚約30 nm。

使用激光刻蝕機(jī)在Pt膜表面上刻蝕圖案,，將樣品放置在加熱臺(tái)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(jié)果與討論

從無(wú)激光刻蝕的樣品熱誘導(dǎo)后的光學(xué)顯微鏡照片[ 圖 1( A ) ] 可看到大量無(wú)序扭曲的條紋狀物起伏地布滿(mǎn)樣品表面,這些條紋通常以一點(diǎn)為中心向3個(gè)方向扭曲發(fā)散, 多數(shù)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(xiàn)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(chǎn)生這種表面形變的原因是內(nèi)應(yīng)力釋放的結(jié)果, 通常這種內(nèi)應(yīng)力是由于濺射金屬薄膜和聚合物膜的熱膨脹系數(shù)不匹配造成的.。當(dāng)聚合物膜處于玻璃化溫度以上時(shí), 這些內(nèi)應(yīng)力會(huì)以條紋狀的塑性形變表現(xiàn)出來(lái)。采用凹凸模板、紫外照射或者壓印等技術(shù), 能使表面形變圖案化.。采用簡(jiǎn)單的激光刻蝕方法, 也實(shí)現(xiàn)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(guò)激光刻蝕平行線(xiàn), 能在樣品表面劃分若干個(gè)Pt/ PS復(fù)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(zhǎng)度遠(yuǎn)大于這個(gè)寬度, 因而不會(huì)影響圖中矩形區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力, 而垂直方向的應(yīng)力則由于刻蝕劃分區(qū)域而不再連續(xù)產(chǎn)生.。于是在應(yīng)力釋放過(guò)程中, 刻蝕線(xiàn)附近區(qū)域的應(yīng)力會(huì)選擇性釋放: 容易形成垂直或近似垂直于刻蝕線(xiàn)的條狀起伏 [ 圖 1( B) ] , 這樣平行刻蝕方向上的應(yīng)力能得到較好的釋放; 在遠(yuǎn)離刻蝕線(xiàn)的中間部分, 垂直刻蝕方向 上的應(yīng)力釋放將會(huì)體現(xiàn)出來(lái), 在兩個(gè)方向的應(yīng)力同時(shí)作用下, 會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似圖 1( A ) 的無(wú)序扭曲條紋。

改變刻蝕線(xiàn)劃分區(qū)域?qū)挾瓤煽刂漆尫艖?yīng)力的方式, 寬度越窄, Pt/ PS 復(fù)合膜越會(huì)選擇平行刻蝕方向?yàn)獒尫艖?yīng)力的主要方向, 形成的起伏條紋也越垂直于刻蝕線(xiàn)方向.。Pt/ PS 復(fù)合膜區(qū)域?qū)挾燃s80 m [ 圖 1( C) ] , 形成條狀起伏比較規(guī)則。當(dāng)寬度約 25 m 時(shí)[ 圖 1( D) ] , 可看到在 Pt/ PS復(fù)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(cè)試表明, 這些條紋長(zhǎng)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(rèn)為規(guī)則條紋的形成是平行刻蝕方向的應(yīng)力釋放結(jié)果。

綜上所述, 本文簡(jiǎn)要報(bào)道了在復(fù)合的Pt/ PS 膜上通過(guò)激光刻蝕的方法, 對(duì)熱誘導(dǎo)作用下產(chǎn)生的表面形貌進(jìn)行控制。同時(shí), 在聚碳酸酯基底上也得到類(lèi)似實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種簡(jiǎn)單地產(chǎn)生且能有效控制形貌變化的方法在微電子、光學(xué)微器件、模板合成及新材料表面浸潤(rùn)性等學(xué)科領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

文章來(lái)源高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào) 文章編號(hào):0251-0790( 2004) 01-0157-02 作者：莊 可, 肖 珂, 王國(guó)杰, 江 雷（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）

關(guān)鍵詞： PS / Pt 聚合物膜; 圖案化; 應(yīng)力釋放; 激光刻蝕