Методика сглаживания поверхности полиметилметакрилата

Тема: Технологии

«Наука и технологии России»

В Институте физических проблем им. Ф. В. Лукина разработали и опробовали методику сглаживания неровностей поверхности полиметилметакрилата в нанометровом и субнанометровом диапазонах. Методика основана на облучении вакуумным ультрафиолетом с длиной волны около 124 нм.

В настоящее время полимер, называемый полиметилметакрилатом (ПММА), больше известный в быту как органическое стекло или плексиглас, находит широкое применение в различных областях науки и техники. В частности, полиметилметакрилат активно используется в наноэлектронике в качестве электронного, УФ- и рентгеночувствительного резиста; часто применяется в микро- и наноэлектромеханических системах как конструкционный материал. Полиметилметакрилат хорошо зарекомендовал себя в трансплантологии как нетоксичный биосовместимый материал пригодный для изготовления искусственных органов человека — искусственных хрусталиков, контактных линз, зубных протезов, костного цемента и др.

Важно так модифицировать поверхность полиметилметакрилата, чтобы ее параметры точно соответствовали конкретным нуждам того или иного устройства. Одним из параметров полимера, оказывающим существенное влияние на рабочие характеристики устройства, является шероховатость поверхности в нанометровом диапазоне.

При использовании пленки полиметилметакрилата в качестве резиста, толщина и неровности поверхности определяют минимальный размер элемента, который можно получить в ходе проведения нанолитографического процесса. При использовании полиметилметакрилата в качестве конструкционного материала в микро- и наноэлектромеханических системах рельеф трущихся поверхностей будет определять действующую силу трения, а, следовательно, связанные с трением потери энергии и термодеформации миниатюрного механизма. Для изготовления микрожидкостных устройств, качество поверхности микро- и наноканалов задает характер и скорость течения по ним используемых в устройстве жидкостей. В медицине, изменяя шероховатость поверхности трансплантанта, можно избирательным образом влиять на адсорбцию определенных белков, что позволяет повысить биосовместимость искусственного органа.

В Государственном научном центре Российской Федерации, Институте физических проблем им. Ф. В. Лукина (г. Зеленоград) разработали и опробовали методику сглаживания неровностей поверхности полиметилметакрилата в нанометровом и субнанометровом диапазонах. Методика основана на облучении вакуумным ультрафиолетом (ВУФ) с длиной волны около 124 нм. Ввиду сильного поглощения воздухом ультрафиолетовых лучей с длинами волн 200—10 нм обработка полимера производится в вакууме, отсюда и название — вакуумный ультрафиолет.

При облучении образцов полиметилметакрилата вакуумным ультрафиолетом энергии падающих фотонов достаточно для разрыва межмолекулярных связей в полимере. Кроме того, под воздействием ультрафиолета происходит ряд химических реакций, стимулированных квантами света (фотолиз). Обломки молекул полимера вместе с летучими продуктами фотолиза непрерывно удаляются из рабочей камеры вакуумным насосом. Совокупность процессов, возникающих при взаимодействии ультрафиолета с полимером, приводит к сглаживанию нанометровых неровностей рельефа поверхности. Одно из основных преимуществ описанного процесса обработки — он практически не вызывает нагрева образца. Кроме того, модификация происходит только в тонком поверхностном слое полимера, не затрагивая материал в объеме.

По словам одного из разработчиков метода — сотрудника Лаборатории твердотельной нанотехнологии, Лапшина Ростислава Владимировича предлагаемый подход позволяет эффективно утонять и сглаживать поверхность пленки полиметилметакрилата. До недавнего времени в лабораторной практике отсутствовал удобный и простой в изготовлении тест-объект, с помощью которого можно было бы надежно фиксировать нанометрового масштаба изменения рельефа, происходящие в процессе обработки вакуумным ультрафиолетом. В ходе проведения данного исследования такой тест-объект был найден.

Найденный тест-объект представляет собой пленку полиметилметакрилата субмикронной толщины, нанесенную с помощью центрифуги на полированную поверхность кремниевой пластины и обработанную в кислородной высокочастотной плазме. В ходе обработки в кислородной ВЧ-плазме поверхность пленки претерпевает наноструктурирование — вместо гладкой поверхности со среднеквадратичной шероховатостью 0.3 нм образуются четко выраженные нанозерна со средним латеральным размером 66 нм и средней высотой 1.8 нм. Нанорельеф исследуемых поверхностей полиметилметакрилата измерен с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) Solver P4 (НТ-МДТ). Микроскоп и используемые кантилеверы (Институт физических проблем им. Ф. В. Лукина) — отечественного производства.

Помимо эффекта сглаживания ученые института, анализируя фурье-спектры поверхности, обнаружили интересный феномен. Оказалось, что наноструктурированная в кислородной ВЧ-плазме поверхность полиметилметакрилата частично упорядочена. До недавнего времени порядок в расположении структурных элементов поверхности наблюдался только в диблок кополимерах, например, в полистироле-полиметилметакрилате (ПС-ПММА).

Источник: «Наука и технологии России»