Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας laser με πολυμερή

1. Φοιτητής: Αποστολόπουλος Άγγελος Υπ. Καθηγήτρια: Μ. Μακροπούλου Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας laser με πολυμερή

2. Περιεχόμενα Εισαγωγή Παράμετροι της αποδόμησης πολυμερών με laser Μηχανισμοί αποδόμησης Υπερβραχείς παλμοί Εφαρμογές

3. Εισαγωγή ανακάλυψη πρώτουlaserαπό Τ.Η. Mainmanτο 1960 ιδιότητες ακτινοβολίαςlaser: 1) μονοχρωματικότητα 2) κατευθυντικότητα 3) χωρική και χρονική συμφωνία 4) λαμπρότητα φυσικό φως δέσμη laser πρώτες πρακτικές εφαρμογές: • διάτρηση • κόψιμο • συγκόλληση μετάλλων

4. Εισαγωγή aποδόμηση υλικού μέσω της ακτινοβόλησής του από ισχυρή δέσμη laser “Laser ABLATION” αρχικά οι τεχνικές αποδόμησης με laser ήταν ελάχιστα πιο αποδοτικέςαπό τις συμβατικές σήμερα βρίσκουν ευρεία χρήση στη βιομηχανία, καθώς υπερτερούν των συμβατικών εργαλείων εξέλιξη και ωρίμανση τις δεκαετίες ‘70 και ‘80 • Τοlaser είναι ένα ισχυρό εργαλείο, με το οποίο μπορούν να σχηματιστούν τρισδιάστατες δομές σε κάθε σχεδόν υλικό.

5. Εισαγωγή 1982: δημοσίευση από R. Srinivasan et al. πάνω στο φαινόμενο της φωτοαποδόμησης πολυμερών υπεριώδηςπαλμική ακτινοβολία laser (ArF-193nm) προσπίπτει στην επιφάνεια ενός οργανικού πολυμερούς απομάκρυνση από την επιφάνεια υλικού πάχους 0.01–0.1μm προοριζόταν για εναλλακτική της φωτολιθογραφίας τρύπες 300μm σε φίλμπολυαμιδίου πάχους 75μm χαρακτηριστικό διάγραμμα διαπερατότητας πολυμερούς

6. Εισαγωγή Μήκη κύματος εμπορικά διαθέσιμων πηγώνlaser

7. 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

8. Παράμετροι της αποδόμησης πολυμερών με laser: ρυθμός αποδόμησης d(F) Ρυθμός αποδόμησης: d(F) πάχος του υλικού που αφαιρείται ανά παλμό τουlaser 1) Βάθος κρατήρα ύστερα από ένα παλμό 2) Κλίση της ευθείας της γραφικής παράστασης του βάθους αποδόμησης ως προς αριθμό παλμών η αποδόμηση δεν ξεκινάει απαραίτητα από τον πρώτο παλμό Φαινόμενο «επώασης» (“Incubation” effect) αρχικοί παλμοί μεταβολή οπτικών ιδιοτήτων αύξηση της απορροφητικότητας αύξηση ρυθμού αποδόμησης

9. Μέθοδοι μέτρησης βάθους αποδομημένης περιοχής AFM (Atomic force microscopy) προφιλομετρία ακίδας οπτική προφιλομετρία Quartz Crystal Microbalance (QCM)

10. 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

11. Μηχανισμοί αποδόμησης Οι τρεις κυριότεροι μηχανισμοί φωτοαποδόμησης είναι: 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.

12. 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

13. Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτοθερμικός μηχανισμός Η απορρόφηση της εισερχόμενης ακτινοβολίας προκαλεί δονητικές και περιστροφικές διεγέρσεις αποδόμηση λόγω τήξης και εξάτμισης αύξηση κινητικής ενέργειας συστήματος απότομη αύξηση της θερμοκρασίας Κατά την ακτινοβόληση με υψηλή πυκνότητα ενέργειας,οιέντονες 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

14. Μηχανισμοί αποδόμησης: Σύγκριση φωτοχημικού και φωτοθερμικού μηχανισμού Χάραξη καναλιών σε PVA (Polyvinyl alcohol) ArF: λ=193nm Ε=6.43 eV XeCl: λ=308 nm Ε=4.02 eV Στα 193nm η ενέργεια των φωτονίων είναι μεγαλύτερη των περισσότερων δεσμών Κυριαρχία φωτοχημικού φαινομένου

15. Μηχανισμοί αποδόμησης: Σύγκριση φωτοχημικού και φωτοθερμικού μηχανισμού PVA 193nm 266 nm PS (Polystyrene) 308 nm 193 nm

16. Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτομηχανικός μηχανισμός διάσπαση λόγω της ανάπτυξης μηχανικών τάσεων συστολή του όγκου κατά τον πολυμερισμό κατά την ακτινοβόληση μεlaser 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

17. Μηχανισμοί αποδόμησης: φωτομηχανικός μηχανισμός δημιουργία θερμοελαστικών κυμάτων ακτινοβόληση (τ≤ns) πολύ υψηλός ρυθμός θέρμανσης θέρμανση υπό συνθήκη σταθερού όγκου αύξηση της πίεσης δημιουργία θερμοελαστικών κυμάτων κατά τον άξονα της δέσμης & αντίθετη μεταξύ τους διάδοση θλιπτικές τάσεις ανάκλαση στην επιφάνεια & αντιστροφή του πλάτους ταυτόχρονα όμως εφελκυστικές τάσεις Ότανσ*≥τάσης αντοχής υλικού εκτίναξη υλικού λόγω θραύσης

18. 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 psμετά την ακτινοβόληση του laserμε 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

19. 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

20. Εφαρμογές

21. Εφαρμογές: Μικροηλεκτρονική διάτρηση των στρωμάτων του πολυιμιδίου (polyimide) σε πολυεπίπεδεςπολυμερικές πλακέτες κυκλωμάτων πυκνότητα ενέργειας ≈ 200 mJ/cm2 για λ=308nm Τυπική διάταξη excimer laser για αποδόμηση με χρήση μάσκας

22. Εφαρμογές: Διάτρηση ακροφυσίωνink-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

23. 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

24. Εφαρμογές: Οπτοηλεκτρονική κατασκευή μικροφακών βάση σύζευξης οπτικών ινών (d=125μm) KrF: F=180 mJ/cm2 σε πολυανθρακικό φακοί Fresnel σε πολυμερές τριαζύνης

26. Βιβλιογραφία A.A. Serafetinides, C.D. Skordoulis, M.I. Makropoulou, A.K. Kar, "Picosecondand 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" RaffaellaSurianoa,∗, ArseniyKuznetsovb, Shane M. Eatonc, Roman Kiyanb, GiulioCerullod, Roberto Osellamec, Boris N. Chichkovb, MarinellaLevia, 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”