Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας laser με πολυμερή

Φοιτητής: Αποστολόπουλος ΆγγελοςΥπ. Καθηγήτρια: Μ. Μακροπούλου

Περιεχόμενα

Εισαγωγή

Παράμετροι της αποδόμησης πολυμερών με laser

Μηχανισμοί αποδόμησης

Υπερβραχείς παλμοί

Εφαρμογές

ανακάλυψη πρώτου laser από Τ.Η. Mainman το 1960

• διάτρηση• κόψιμο• συγκόλληση μετάλλων

Εισαγωγή

ιδιότητες ακτινοβολίας laser:

1) μονοχρωματικότητα 2) κατευθυντικότητα3) χωρική και χρονική συμφωνία4) λαμπρότητα

πρώτες πρακτικές εφαρμογές:

φυσικό φως δέσμη laser

αρχικά οι τεχνικές αποδόμησης με laser ήταν ελάχιστα πιο αποδοτικές από τις συμβατικές

εξέλιξη και ωρίμανση τις δεκαετίες ‘70 και ‘80

Το laser είναι ένα ισχυρό εργαλείο, με το οποίο μπορούν να σχηματιστούν τρισδιάστατες δομές σε κάθε σχεδόν υλικό.

“Laser ABLATION”

aποδόμηση υλικού μέσω της ακτινοβόλησής του από ισχυρή δέσμη laser

Εισαγωγή

σήμερα βρίσκουν ευρεία χρήση στη βιομηχανία, καθώς υπερτερούν των συμβατικών εργαλείων

υπεριώδης παλμική ακτινοβολία laser (ArF-193nm) προσπίπτει στην επιφάνεια ενός οργανικού πολυμερούς

απομάκρυνση από την επιφάνεια υλικού πάχους 0.01–0.1 μm

προοριζόταν για εναλλακτική της φωτολιθογραφίας

Εισαγωγή

χαρακτηριστικό διάγραμμα διαπερατότητας πολυμερούς

δημοσίευση από R. Srinivasan et al. πάνω στο φαινόμενο της φωτοαποδόμησης πολυμερών

1982:

τρύπες 300μm σε φίλμ πολυαμιδίου πάχους 75μm

Μήκη κύματος εμπορικά διαθέσιμων πηγών laser

Εισαγωγή

Πυκνότητα ενέργειας (fluence):

Πυκνότητα ενέργειας κατωφλίου: Fth Η ελάχιστη απαιτούμενη πυκνότητα ενέργειας για την οποία παρατηρείται αποδόμηση

Ενεργός συντελεστής απορρόφησης: αeff

• μήκος κύματος• πυκνότητα ενέργειας• τους μηχανισμούς που λαμβάνουν χώρα κατά την αποδόμηση

εξαρτάται από:

Παράμετροι της αποδόμησης πολυμερών με laser

• μήκος κύματος• διάρκεια παλμού• σύνθεση υλικού

Περιγράφει το βάθος διείσδυσης της δέσμης

εξαρτάται από:

1) Βάθος κρατήρα ύστερα από ένα παλμό

2) Κλίση της ευθείας της γραφικής παράστασης του βάθους αποδόμησης ως προς αριθμό παλμώνη αποδόμηση δεν

ξεκινάει απαραίτητα από τον πρώτο παλμό

Φαινόμενο «επώασης» (“Incubation” effect)

αύξηση ρυθμού αποδόμησης

Παράμετροι της αποδόμησης πολυμερών με laser: ρυθμός αποδόμησης d(F)

Ρυθμός αποδόμησης: d(F)πάχος του υλικού που αφαιρείται ανά παλμό του laser

αρχικοί παλμοί

μεταβολή οπτικών ιδιοτήτων

αύξηση της απορροφητικότητας

οπτική προφιλομετρία

προφιλομετρία ακίδας AFM (Atomic force microscopy)

Quartz Crystal Microbalance (QCM)

Μέθοδοι μέτρησης βάθους αποδομημένης περιοχής

Μέση πυκνότητα ενέργειας:

αύξηση της κλίσης λόγο αποδοτικότερης αποδόμησης

Υψηλή πυκνότητα ενέργειας: εξασθένηση της δέσμης

λόγω απορρόφησης από το“plume” (το σύννεφο των πτητικών προϊόντων της αποδόμησης και του παραγόμενου πλάσματος)

Παράμετροι της αποδόμησης πολυμερών με laser: ρυθμός αποδόμησης d(F) Η διαδικασία της αποδόμησης των περισσοτέρων πολυμερών περιγράφεται σε μια πρώτη προσέγγιση από την εμπειρική σχέση

Χαμηλή πυκνότητα ενέργειας:

άμεσος προσδιορισμός Fth

φαινόμενα επώασης

Φωτοθερμικός

Φωτοχημικός

Φωτομηχανικός

Παρά τα 30 χρόνια έρευνας στον τομέα της αποδόμησης των πολυμερών, δεν έχει ξεκαθαρίσει πλήρως οι συνεισφορά του κάθε μηχανισμού, ιδιαίτερα σε μεγάλες πυκνότητες ενέργειας.

Οι τρεις κυριότεροι μηχανισμοί φωτοαποδόμησης είναι:

Μηχανισμοί αποδόμησης

ενέργεια φωτονίου > ενέργεια χημικών δεσμών πολυμερούς

Θραύση κύριων και δευτερευουσών αλυσίδων

Αποκοπή ομάδων ατόμων (πολυμερικές αλυσίδες μικρότερου μοριακού βάρους, μονομερή)

Ενέργεια φωτονίων «καταναλώνεται» στο σπάσιμο δεσμών

Περιορισμένη παραγωγή και διάχυση θερμότητας

Υπεριώδης ακτινοβολία

Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτοχημικός μηχανισμός

αποδόμηση λόγω τήξης και εξάτμισης

Η απορρόφηση της εισερχόμενης ακτινοβολίας προκαλεί δονητικές και περιστροφικές διεγέρσεις

απότομη αύξηση της θερμοκρασίας

αύξηση κινητικής ενέργειας συστήματος

Κατά την ακτινοβόληση με υψηλή πυκνότητα ενέργειας, οι έντονες ταλαντώσεις του πλέγματος είναι ικανές να προκαλέσουν θραύση τόσο των ισχυρών δεσμών κατά μήκος των μακρομορίων, όσο και των ασθενέστερων που τα συνδέουν μεταξύ τους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια κατακερματισμένη δομή με μικρότερου μεγέθους μόρια και χαμηλότερο σημείο εξάτμισης σε σχέση με την αρχική.

εξάτμιση χωρίς τήξη

Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτοθερμικός μηχανισμός

Χάραξη καναλιών σε PVA (Polyvinyl alcohol)

λ=193 nm

XeCl: λ=308 nm

Ε=4.02 eV

Ε=6.43 eV

Στα 193nm η ενέργεια των φωτονίων είναι μεγαλύτερη των περισσότερων δεσμών

Κυριαρχία φωτοχημικού φαινομένου

ArF:

Μηχανισμοί αποδόμησης: Σύγκριση φωτοχημικού και φωτοθερμικού μηχανισμού

266 nm

193nm

PVA

193 nm 308 nm

PS(Polystyrene)

Μηχανισμοί αποδόμησης: Σύγκριση φωτοχημικού και φωτοθερμικού μηχανισμού

κατά τον πολυμερισμό

φωτοχημικές και φωτοθερμικές διεγέρσεις

προϊόντα μικρότερου μοριακού βάρους

διαστολή του όγκου

αποπολυμερισμός του PMMA ≈ 20% αύξηση του όγκου

σχηματισμός αέριων προϊόντων φωτοαποδόμησης στο υπόστρωμα αύξηση της εσωτερικής

πίεσης

διάσπαση λόγω της ανάπτυξης μηχανικών τάσεων

Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτομηχανικός μηχανισμός

κατά την ακτινοβόληση με laser

συστολή του όγκου

παράδειγμα:

ακτινοβόληση (τ≤ns)

θέρμανση υπό συνθήκη σταθερού όγκου

αύξηση της πίεσης

δημιουργία θερμοελαστικών κυμάτων κατά τον άξονα της δέσμης & αντίθετη μεταξύ τους διάδοση

πολύ υψηλός ρυθμός θέρμανσης

θλιπτικές τάσεις

ανάκλαση στην επιφάνεια & αντιστροφή του πλάτους εφελκυστικές

τάσεις

Όταν σ*≥ τάσης αντοχής υλικού εκτίναξη υλικού λόγω θραύσης

Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτομηχανικός μηχανισμός

δημιουργία θερμοελαστικών κυμάτων

ταυτόχρονα όμως

Πολυφωτονική απορρόφηση

• επεξεργασία του υλικού ακόμα και σε μήκη κύματος που αυτό είναι διαφανές• ανάπτυξη “plume” ακολουθεί τουλάχιστον ένα ps μετά την ακτινοβόληση του laser με αποτέλεσμα τη μη απορρόφηση της δέσμης

• ο χρόνος αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας (~10-15-10-13s) είναι μικρότερος του χρόνου διάδοσης της ενέργειας στο πλέγμα (~10-11s). Συνεπώς περιορίζεται η διάχυση θερμότητας και ελαχιστοποιείται η θερμική καταστροφή

Πλεονεκτήματα:

Υπερβραχείς παλμοί

υπερβραχείς παλμοί laser (τ ≤ ps) έχουν εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ισχύος, με αποτέλεσμα να κυριαρχούν φαινόμενα μη γραμμικής απορρόφησης, λόγω της υψηλής πυκνότητας φωτονίων

Cyclic olefin copolymer (COP)

Υπερβραχείς παλμοί

F=44.2 J/cm2

λ=800nm (Ti:Sapphire)τ= 40 fs

Polymethylmethacrylate (PMMA)F=44.2 J/cm2

λ=800nm (Ti:Sapphire)τ= 40 fs

Εφαρμογές

πυκνότητα ενέργειας ≈ 200 mJ/cm2 για λ=308nm

Τυπική διάταξη excimer laser για αποδόμηση με χρήση μάσκας

Εφαρμογές: Μικροηλεκτρονική

διάτρηση των στρωμάτων του πολυιμιδίου (polyimide) σε πολυεπίπεδες πολυμερικές πλακέτες κυκλωμάτων

ακροφύσια κατασκευασμένα από excimer laser με τη βοήθεια της προβολής μάσκας σε πολυιμίδιο

Εφαρμογές: Διάτρηση ακροφυσίων ink-jet εκτυπωτών

p.90

πάχος πολυιμιδίου≈50μm200-300 παλμοί με F=600mJ/cm2

διάμετρος ακροφυσίου: 28±0,5μmγια 600dpi εκτυπωτή≈300 τρύπες

εγχάραξη μικροκαναλιών σε πολυμερή για χρήση σε «lab-on-chip» εξαρτήματα

Εφαρμογές: Μικρορευστονική

δεξαμενή d=0.5mmφίλτρο 15μm

κανάλι παροχής

πολυανθρακικό λ=248nm F=4J/cm2

κατασκευή μικροφακών

Εφαρμογές: Οπτοηλεκτρονική

φακοί Fresnel σε πολυμερές τριαζύνης

βάση σύζευξης οπτικών ινών (d=125μm)

KrF: F=180 mJ/cm2 σε πολυανθρακικό

Βιβλιογραφία

Kris Naessens, "Excimer laser ablation ablation of microstructures in polymers for photonic applications"

Marc Robert Hauer, "Laser ablation of polymers studied by time resolved methods"

P.E. Dyer, "Excimer laser polymer ablation: twenty years on"

Raffaella Surianoa, , Arseniy Kuznetsovb, Shane M. Eatonc, Roman Kiyanb, Giulio Cerullod, Roberto Osellamec, ∗Boris N. Chichkovb, Marinella Levia, Stefano Turria, "Femtosecond laser ablation of polymeric substrates for the fabrication of microfluidic channels"

S. Chen*, V. V. Kancharla and Y. Lu, "Laser-based microscale patterning of biodegradable polymers for biomedical applications"

Thomas Lippert, "UV Laser Ablation of Polymers:From Structuring to Thin Film Deposition"

W. M. Steen, J.Mazumder," Laser Material Processing”

K. Zimmer, A. Braun, “Excimer laser machining for 3D-surface structuring”

Guenther Paltauf, Peter E. Dyer, "Photomechanical Processes and Effects in Ablation"

N. Bityurin, B. S. Luk’yanchuk, M. H. Hong, and T. C. Chong, “Models for Laser Ablation of Polymers”

A.A. Serafetinides, C.D. Skordoulis, M.I. Makropoulou, A.K. Kar , "Picosecond and subpicosecond visible laser ablation of optically transparent polymers”