Transcript Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας laser με πολυμερή

Φοιτητής: Αποστολόπουλος Άγγελος
Υπ. Καθηγήτρια: Μ. Μακροπούλου
Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας laser με πολυμερή
Περιεχόμενα
Εισαγωγή
Παράμετροι της αποδόμησης πολυμερών με laser
Μηχανισμοί αποδόμησης
Υπερβραχείς παλμοί
Εφαρμογές
Εισαγωγή
ανακάλυψη πρώτου laser από Τ.Η. Mainman το 1960
ιδιότητες ακτινοβολίας laser:
φυσικό φως
πρώτες πρακτικές εφαρμογές:
• διάτρηση
• κόψιμο
• συγκόλληση μετάλλων
1) μονοχρωματικότητα
2) κατευθυντικότητα
3) χωρική και χρονική συμφωνία
4) λαμπρότητα
δέσμη laser
Εισαγωγή
aποδόμηση υλικού μέσω της ακτινοβόλησής
του από ισχυρή δέσμη laser
αρχικά οι τεχνικές
αποδόμησης με laser ήταν
ελάχιστα πιο αποδοτικές από
τις συμβατικές
εξέλιξη και ωρίμανση τις
δεκαετίες ‘70 και ‘80
“Laser ABLATION”
σήμερα βρίσκουν ευρεία χρήση
στη βιομηχανία, καθώς
υπερτερούν των συμβατικών
εργαλείων
Το laser είναι ένα ισχυρό εργαλείο, με το οποίο μπορούν να σχηματιστούν τρισδιάστατες
δομές σε κάθε σχεδόν υλικό.
Εισαγωγή
1982: δημοσίευση από R. Srinivasan et al. πάνω στο φαινόμενο της
φωτοαποδόμησης πολυμερών
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
τρύπες 300μm σε φίλμ πολυαμιδίου πάχους 75μm
χαρακτηριστικό διάγραμμα διαπερατότητας πολυμερούς
Εισαγωγή
Μήκη κύματος εμπορικά διαθέσιμων πηγών laser
Παράμετροι της αποδόμησης πολυμερών με laser
Πυκνότητα ενέργειας (fluence):
Πυκνότητα ενέργειας κατωφλίου: Fth
Η ελάχιστη απαιτούμενη πυκνότητα
ενέργειας για την οποία παρατηρείται
αποδόμηση
εξαρτάται από: • μήκος κύματος
• διάρκεια παλμού
• σύνθεση υλικού
Ενεργός συντελεστής απορρόφησης: αeff
Περιγράφει το βάθος διείσδυσης της
δέσμης
εξαρτάται από: • μήκος κύματος
• πυκνότητα ενέργειας
• τους μηχανισμούς που λαμβάνουν χώρα κατά
την αποδόμηση
Παράμετροι της αποδόμησης πολυμερών με laser: ρυθμός αποδόμησης d(F)
Ρυθμός αποδόμησης: d(F)
1) Βάθος κρατήρα ύστερα από ένα
παλμό
η αποδόμηση δεν ξεκινάει
απαραίτητα από τον πρώτο
παλμό
Φαινόμενο «επώασης»
(“Incubation” effect)
αρχικοί παλμοί
μεταβολή οπτικών ιδιοτήτων
αύξηση της απορροφητικότητας
αύξηση ρυθμού αποδόμησης
πάχος του υλικού που αφαιρείται ανά παλμό του laser
2) Κλίση της ευθείας της γραφικής
παράστασης του βάθους αποδόμησης ως
προς αριθμό παλμών
Μέθοδοι μέτρησης βάθους αποδομημένης περιοχής
AFM
(Atomic force microscopy)
προφιλομετρία ακίδας
οπτική προφιλομετρία
Quartz Crystal
Microbalance (QCM)
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
 Υψηλή πυκνότητα ενέργειας:
 εξασθένηση της δέσμης λόγω
απορρόφησης από το“plume”
(το σύννεφο των πτητικών προϊόντων
της αποδόμησης και του παραγόμενου
πλάσματος)
 Μέση πυκνότητα ενέργειας:
 αύξηση της κλίσης λόγο
αποδοτικότερης
αποδόμησης
Μηχανισμοί αποδόμησης
Οι τρεις κυριότεροι μηχανισμοί φωτοαποδόμησης είναι:
Φωτοχημικός
Φωτοθερμικός
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.
Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτοχημικός μηχανισμός
Υπεριώδης ακτινοβολία
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
Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτοθερμικός μηχανισμός
Η απορρόφηση της εισερχόμενης ακτινοβολίας προκαλεί δονητικές και περιστροφικές διεγέρσεις
αύξηση κινητικής ενέργειας συστήματος
απότομη αύξηση της θερμοκρασίας
αποδόμηση λόγω τήξης και εξάτμισης
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: Σύγκριση φωτοχημικού και φωτοθερμικού μηχανισμού
Χάραξη καναλιών σε PVA (Polyvinyl alcohol)
ArF: λ=193 nm
Ε=6.43 eV
Στα 193nm η ενέργεια των φωτονίων είναι
μεγαλύτερη των περισσότερων δεσμών
XeCl: λ=308 nm
Ε=4.02 eV
Κυριαρχία φωτοχημικού φαινομένου
Μηχανισμοί αποδόμησης: Σύγκριση φωτοχημικού και φωτοθερμικού μηχανισμού
PVA
193nm
193 nm
PS (Polystyrene)
266 nm
308 nm
Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτομηχανικός μηχανισμός
διάσπαση λόγω της ανάπτυξης μηχανικών τάσεων
κατά τον πολυμερισμό
συστολή του όγκου
κατά την ακτινοβόληση με laser
φωτοχημικές και
φωτοθερμικές
διεγέρσεις
προϊόντα μικρότερου
μοριακού βάρους
διαστολή του όγκου
παράδειγμα: αποπολυμερισμός του PMMA ≈ 20%
αύξηση του όγκου
σχηματισμός αέριων προϊόντων
φωτοαποδόμησης στο υπόστρωμα
αύξηση της εσωτερικής πίεσης
Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτομηχανικός μηχανισμός
δημιουργία θερμοελαστικών κυμάτων
ακτινοβόληση (τ≤ns)
πολύ υψηλός ρυθμός θέρμανσης
αύξηση της πίεσης
δημιουργία θερμοελαστικών κυμάτων κατά τον άξονα
της δέσμης & αντίθετη μεταξύ τους διάδοση
ταυτόχρονα όμως
ανάκλαση στην επιφάνεια &
αντιστροφή του πλάτους
Όταν σ*≥ τάσης αντοχής υλικού
θέρμανση υπό συνθήκη σταθερού όγκου
θλιπτικές τάσεις
εφελκυστικές τάσεις
εκτίναξη υλικού λόγω θραύσης
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
Πολυφωτονική απορρόφηση
Πλεονεκτήματα:
• 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
Υπερβραχείς παλμοί
Polymethylmethacrylate (PMMA)
Cyclic olefin copolymer (COP)
F=44.2 J/cm2
λ=800nm (Ti:Sapphire)
τ= 40 fs
F=44.2 J/cm2
λ=800nm (Ti:Sapphire)
τ= 40 fs
Εφαρμογές
Εφαρμογές: Μικροηλεκτρονική
διάτρηση των στρωμάτων του πολυιμιδίου (polyimide)
σε πολυεπίπεδες πολυμερικές πλακέτες κυκλωμάτων
πυκνότητα ενέργειας ≈ 200 mJ/cm2 για λ=308nm
Τυπική διάταξη excimer laser για αποδόμηση με χρήση μάσκας
Εφαρμογές: Διάτρηση ακροφυσίων ink-jet εκτυπωτών
ακροφύσια κατασκευασμένα από excimer laser με τη βοήθεια της προβολής μάσκας σε πολυιμίδιο
p.90
πάχος πολυιμιδίου≈50μm
200-300 παλμοί με F=600mJ/cm2
διάμετρος ακροφυσίου: 28±0,5μm
για 600dpi εκτυπωτή≈300 τρύπες
Εφαρμογές: Μικρορευστονική
εγχάραξη μικροκαναλιών σε πολυμερή για χρήση σε «lab-on-chip» εξαρτήματα
δεξαμενή d=0.5mm
φίλτρο 15μm
κανάλι παροχής
πολυανθρακικό λ=248nm F=4J/cm2
Εφαρμογές: Οπτοηλεκτρονική
κατασκευή μικροφακών
βάση σύζευξης οπτικών ινών
(d=125μm)
KrF: F=180 mJ/cm2 σε πολυανθρακικό
φακοί Fresnel σε πολυμερές τριαζύνης
Βιβλιογραφία
A.A. Serafetinides, C.D. Skordoulis, M.I. Makropoulou, A.K. Kar , "Picosecond and subpicosecond visible laser
ablation of optically transparent polymers”
Guenther Paltauf, Peter E. Dyer, "Photomechanical Processes and Effects in Ablation"
K. Zimmer, A. Braun, “Excimer laser machining for 3D-surface structuring”
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"
N. Bityurin, B. S. Luk’yanchuk, M. H. Hong, and T. C. Chong, “Models for Laser Ablation of Polymers”
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”