扫描法制备聚合物表面LIPSS及单分散纳米颗粒在LIPSS微结构中自组装行为的研究

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激光诱导周期性表面微结构(LIPSS)在纳米微结构的制备及液晶取向技术中有着重要应用,通过激光辐照可以在不同的本体材料上直接制备纳米结构,避免了一般光刻工艺的复杂的掩模板制作步骤,工艺简单,无污染,并且有较强的可控性、定位性及选择性。本文采用Nd:YAG激光器的三倍频输出,波长为355nm的偏振紫外脉冲激光,通过二维步进扫描法在聚酰亚胺薄膜表面制备了大面积的激光诱导周期性表面微结构(LIPSS)。采用原子力显微镜获得样品表面形貌信息,测量并统计表面微结构的周期与条纹深度,详细考察了入射激光通量、入射角、扫描速度及步长等因素的改变对LIPSS图形质量及几何尺寸的影响,初步建立了入射激光及扫描参数与微结构尺寸之间的定量关系,并结合LIPSS的形成机理进行了理论分析,总结了实现聚合物薄膜LIPSS快速制备的较优实验条件。在本文实验条件下,偏振激光入射角是决定LIPSS条纹周期值的主要因素,根据实验数据得到拟合关系式。入射激光通量,X方向扫描速度以及Y方向扫描步长对于LIPSS条纹的深度有着深刻影响,其本质在于导致薄膜表面单位面积接受到的激光辐射能量发生变化,进而影响LIPSS条纹的形成。采用355nm激光扫描辐照在聚酰亚胺薄膜表面制备出规整均匀的大面积LIPSS条纹的较优实验条件为:入射角θ在0o~15o,入射通量E为13~15 mJ/cm2,X轴扫描步长LX≥8mm,X轴扫描速度Vx为5~8mm/s,Y轴扫描步长LY为0.010~0.015mm,Y轴扫描速度VY为0.01~0.10mm/s。以此种LIPSS沟槽结构作为自组装模板(周期在280~400nm范围内),在自制的“三明治”型组装盒内使粒径为114nm的单分散聚苯乙烯纳米微球在重力及毛细作用的共同驱动下排列为二维有序线型微结构。对自组装行为的机理进行了分析,并讨论了影响微球排列有序性的因素。
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