Protonnyaláb okozta fizikai és kémiai változások vizsgálata polimerekben és alkalmazásaik a

protonnyalábos mikromegmunkálásban

MTA Atomki, Debrecen

PhD védés, 2012. szeptember 25.

Szilasi Szabolcs

Témavezetők:Dr. Rajta István

Dr. Kiss Árpád Zoltán

TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024.

Bevezetés

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 2

• Protonnyalábos mikromegmunkálás (Proton Beam Writing, PBW)

• Viszonylag új (1993, Oxford), direkt írásos, háromdimenziós litográfiás eljárás

• Világszerte ~10 laboratórium, kiemelkedő: Szingapúri Egyetem - Center of Ion Beam Applications (CIBA)

• Pásztázó ionmikroszonda laboratóriumokban használják, kereskedelmi forgalomban még nem kapható PBW célberendezés

• Magyarországon: 2002-től, azóta is egyedüliként az Atomkiban

• Először TDK-sként, majd diplomamunkásként kapcsolódtam be, később mint PhD hallgató

PBW bemutatása

A proton behatol a céltárgyba.

A részecske által bejárt pálya mentén fizikai és kémiai

változások történnek.

Az anyag szerkezete lokálisan megváltozik.

A kialakuló változások mértéke függ az anyagi minőségtől és a besugárzás paramétereitől.

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 3

Doktori munkám soránPoli(metil-metakrilát)-ban (PMMA) és poli(dimetil-sziloxán)-ban (PDMS) protonokkal történő besugárzás hatására kialakuló fizikai és kémiai változások vizsgálatával foglalkoztam. Fontos volt számomra a gyakorlati alkalmazási lehetőségek keresése, bemutatása.

PMMA

Törésmutató-változás mélységfüggésének vizsgálata

Kémiai változások mélységfüggésének vizsgálata

PDMS

A törésmutató-változás mélységfüggésének vizsgálata

Kémiai változások vizsgálata

Mintafelszín topográfiájának változásai

Eredmények alkalmazása, optikai elemek létrehozása

Optikai hullámvezető kialakítása, fényvezetés igazolása

Optikai rácsok és Fresnel-féle zónalemezek létrehozása

Domború mikrolencse kialakítása

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 4

Atomki VdG-5

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 5

PMMA – kémiai változások mélységfüggésének vizsgálata

Reflexiós (ATR)

Transzmissziós

FTIR

Mivel egy ion lassulása közben változó mennyiségű energiát ad át a közegnek, ezért feltehetőleg a pályája mentén felszakadó kötések száma sem állandó.

6.25×1013 proton/cm2, 2 MeV, ~83 m

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 6

PMMA – kémiai változások mélységfüggésének vizsgálata

Raman

Pontmérés Vonal pásztázás

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 7

PMMA – kémiai változások mélységfüggésének vizsgálata

ATR Transzmissziós

Pontmérés Vonal pásztázás

FTIR Raman

Mélységi kémiai vizsgálatok

S.Z. Szilasi, R. Huszank, D. Szikra, T. Váczi, I. Rajta, I. Nagy, Chemical changes in PMMA as a function of depth due to proton beam irradiation, Materials Chemistry and Physics 130 (2011) 702– 707.

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 8

PDMS - törésmutató változás mélységi profiljának vizsgálata

S. Z. Szilasi, J. Budai, Z. Pápa, R. Huszank, Z. Tóth, I. Rajta, Refractive index depth profile and its relaxation in polydimethylsiloxane (PDMS) due to proton irradiation, Materials Chemistry and Physics (2011) 370 - 374

Demonstráció, alkalmazás

hullámvezetőklétrehozása

~2 m2 m, 9.38 1014 cm-2 (1500 nC/mm2 )

Al abszorbensek, 1,265 – 2,000 MeV proton, 1,25×1015 proton/cm2 (2000 nC/mm2)

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 9

PDMS – topográfia, fázisváltozás vizsgálata

Kompaktálódás

Topográfia és fázisváltozás kapcsolata

S.Z. Szilasi, J. Kokavecz, R. Huszank, I. Rajta, Compaction of poly(dimethylsiloxane) (PDMS) due to proton beam irradiation, Applied Surface Science 257 (2011) 4612–4615

Különböző vonalszélesség/periódus

arányú vonalak

Keresztmetszet

y=a-bcx aszimptotikus függvény

elérhető legnagyobb besüllyedés meghatározása

Keresztmetszet

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 11

PDMS – domború mikrolencsék létrehozása kompaktálódással

S.Z. Szilasi, N. Hegman, A. Csik, I. Rajta, Creation of convex microlenses in PDMS with focused MeV ion beam, Microelectronic Engineering 88 (2011) 2885–2888

15, 30, 60, 100, 200 m belső átmérőjű

körgyűrűk besugárzása 1500

nC/mm2 = 9,38×1014 proton/cm2

Lencseméretek Lencse profil Fókusztávolságok

AFM képek

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 12

Összefoglalás

• PMMA és PDMS polimerek optikai tulajdonságainak megváltozását vizsgáltam különböző hullámhosszakon a 2 MeV-es protonok behatolási mélységének függvényében. Kimutattam, hogy a besugárzás hatására kialakult törésmutató változás szorosan összefügg a protonok energiaveszteségével. Az eredményeim demonstrációjaként optikai eszközöket hoztam létre proton mikronyalábbal PDMS-ben.

• PMMA és PDMS polimerekben protonokkal történő besugárzás hatására kialakuló kémiai változásokat vizsgáltam a protonok behatolási mélységének függvényében. Kimutattam, hogy a besugárzás hatására kialakult kémiai változás szorosan összefügg a protonok energiaveszteségével. PMMA esetében meghatároztam a bekövetkező kompaktálódás mértékét a mélység függvényében

• Vizsgáltam PDMS felszínének topográfiai változásait 2 MeV energiájú proton mikronyaláb hatására. Megmutattam, hogy a PDMS felszínének topográfiája hogyan függ a besugárzás bizonyos paramétereitől. Az eredményeim alapján mikrooptikai eszközöket készítettem és vizsgáltam.

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 13

A disszertációhoz tartozó közlemények1. I. Rajta, S.Z. Szilasi, J. Budai, Z. Tóth, P. Petrik, E. Baradács, Refractive index depth

profile in PMMA due to proton irradiation, Nucl. Instr.Meth. in Phys. Res. B 260 (2007) 400–404, IF: 0,997. F.len hivatkozások száma: 7.

2. S. Z. Szilasi, J. Budai, Z. Pápa, R. Huszank, Z. Tóth, I. Rajta, Refractive index depth profile and its relaxation in polydimethylsiloxane (PDMS) due to proton irradiation, Mat. Chem. Phys. (2011) 370-374, IF: 2,353.

3. R. Huszank, S.Z. Szilasi, I. Rajta, A. Csik, Fabrication of optical devices in poly(dimethyl-siloxane) by proton microbeam, Optics Communications 283 (2010) 176–180, IF:1,517. F.len hivatkozások száma: 1

4. S.Z. Szilasi, R. Huszank, D. Szikra, T. Váczi, I. Rajta, I. Nagy, Chemical changes in PMMA as a function of depth due to proton beam irradiation, Mat. Chem. Phy. 130 (2011) 702– 707., IF: 2,353. F.len hivatkozások száma: 1.

5. S.Z. Szilasi, J. Kokavecz, R. Huszank, I. Rajta, Compaction of poly(dimethylsiloxane) (PDMS) due to proton beam irradiation, Appl. Surf. Sci. 257 (2011) 4612–4615, IF:1,793.

6. S.Z. Szilasi, N. Hegman, A. Csik, I. Rajta, Creation of convex microlenses in PDMS with focused MeV ion beam, Microel. Eng. 88 (2011) 2885–2888, IF:1,569.

(7. R. Huszank, S.Z. Szilasi, D. Szikra, Deposited energy dependent chemical processes in poly(dimethylsiloxane) induced by 2.0 MeV H+ irradiation, Beküldés alatt)

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 14

Egyéb közlemények8. Szilasi S.Z., Baradács E., Daruka I., Raics P., Cserháti Cs., Dobos E., Rajta I.: PMMA

melting under proton beam exposure. Nucl. Instr.Meth. B 231 (2005) 419 9. Szilasi S.Z., Huszank R., Csik A., Cserháti C., Rajta I.: PDMS patterning by proton

beam, Nucl. Instr.Meth. B 267 (2009) 229610. Rajta I., Szilasi S.Z., Fürjes P., Fekete Z., Dücső Cs., Si Micro-turbine by Proton

Beam Writing and Porous Silicon Micromachining, Nucl. Instr.Meth. B 267 (2009) 2292

11. Huszank R., Szilasi S.Z., Vad K., Rajta I., Fabrication of a microreactor by proton beam writing technique, Nucl. Instr.Meth. in Phys. Res. B 267 (2009) 2299

12. Rajta I., Gál G. A. B., Szilasi S.Z., Juhász Z.,Biri S., Mátéfi-Tempfli M., Mátéfi-Tempfli S., Nanochannel alignment analysis by scanning transmission ion microscopy, Nanotechnology 21 (2010) 295704

13. Huszank R., Szikra D., Simon A., Szilasi S.Z., I. P. Nagy, 4He+ Ion Beam Irradiation Induced Modification of Poly(dimethylsiloxane). Characterization by Infrared Spectroscopy and Ion Beam Analytical Techniques, Langmuir 27 (2011) 3842 – 3848

14. Gál G.A.B., Rajta I., Szilasi S.Z., Juhász Z., Biri S., Cserháti C., Csik A., Sulik B., Scanning transmission ion microscopy of polycarbonate nanocapillaries, Nucl. Instr.Meth. B (2011) 2322-2325

15. Juhász Z., Kovács S.T.S., Herczku P., Rácz R., Biri S., Rajta I., Gál G.A.B., Szilasi S.Z., Pálinkás J., Sulik B., Guided transmission of 3 keV Ar7+ ions through dense polycarbonate nanocapillary arrays: Blocking effect and time dependence of the transmitted neutrals, Nucl. Instr.Meth. B 279 (2012) 177–181

KöszönetnyilvánításK

öszönettel tartozom mindenkinek, aki segített, közreműködött, bármilyen módon hozzájárult e dolgozat vagy a benne foglalt eredmények megszületéséhez!

Külön megköszönöm témavezetőmnek, Dr. Rajta Istvánnak, hogy lehetővé tette a kutatási programom megvalósítását, és hogy a kezdetektől fogva segítette, támogatta munkámat!

Köszönetet mondok Dr. Kiss Árpád Zoltán professor emeritusnak, kezdeti témavezetőmnek a sok hasznos tanácsért, megjegyzésért, és hogy szorgalmazta a dolgozatom megírását.

Köszönöm a kutatásaim során született cikkek társszerzőinek az elvégzett munkájukat, tanácsaikat, segítségüket. Nagyszerű szakembereket ismerhettem meg személyükben, igazi élmény volt velük együtt dolgozni!

Nem utolsó sorban hálával tartozom családomnak, mert mindvégig támogattak és biztosították a munkámhoz szükséges nyugodt hátteret, ami nélkül ez a dolgozat bizonyára meg sem születhetett volna.

A publikáció/prezentáció/poszter elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 16