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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(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。

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(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(shù)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(xiàn)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(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(chǎn)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(xiàn)出來, 在兩個方向的應力同時作用下, 會產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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