液晶分子对於pdms涟漪结构的影响

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1、液晶分子對於PDMS漣漪結構的影響莊郁凡1、陳禮詮1、蘇晏立1、林清彬21淡江大學機械與機電工程學系大學部學生2淡江大學機械與機電工程學系教授1212摘要　　含1wt%向列液晶分子E7之PDMS薄膜給予不同的伸長率(50%、110%)及固定其應變後，於表面濺鍍一層34±5nm金鍍層，經應變回復後，薄膜表面會以自我組裝方式形成漣漪結構。漣漪結構形成過程，同時會產生漣漪結構的缺陷：類差排、排向表面裂縫及裂痕。另外，液晶分子會造成漣漪結構產生扭曲及波紋，扭曲及波紋形成程度隨伸長率增加而降低。排向表面裂縫遇到扭曲之漣漪結構會產生偏折及隨伸長率增加而增多及增寬。關鍵字：PDMS；液晶；漣漪結構；類差

2、排；排向表面裂縫1.前言人們嘗試製作微/奈米結構過程中，發現在表面利用自我組裝可以做出類似波紋(或漣漪)結構(RippleStructure)；而這樣的週期性漣漪結構在光學上的應用相當廣泛，係因為所使用的光波長接近或大於漣漪的結構最小尺寸的情況下，將可明顯觀察出繞射的現象而讓光前進方向產生變化，繞射對光學元件事非常重要的基本元理，此類光學元件可應用在：微型共焦微晶片，可撓式電子電路及穿戴式電子產品。自Navez等人[1]的研究後，許多研究【2-5】使用不同的製作方法用以製作自我組裝之漣漪結構，例如：雷射照射法【2】；機械拉伸法【3】；薄膜沈積【4】和熱應力【5】等。這些技術所製作出的漣漪結

3、構，尺寸甚至可達到奈米等級。漣漪結構的製作雖不再是個大難題，但要準確控制大面積漣漪的尺寸、圖案及可能造成的影響，卻是相當困難及值得研究的課題。漣漪結構的形成可應用在：繞射光閘、光學感測器、壓力感測器及光罩等。本研究首先藉由伸長率去控管漣漪結構的尺寸，將聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)薄膜給予不同伸長率的單軸向拉伸，且在固定應變下進行濺鍍金鍍層，去除拉伸應力後，使PDMS薄膜表面產生不同波長的漣漪結構；另外，本研究同時探討PDMS中含有液晶分子E7時，該液晶分子對週期性漣漪結構型態及其缺陷的影響。2.實驗步驟2.1PDMS溶膠調製PDMS溶膠預聚物與硬化劑

4、以15：1(wt%)的比例均勻混合，接著加入1wt%低分子向列液晶E7，均勻攪拌約15分鐘後，再放入真空皿中抽真空，以消除攪拌時所產生之氣泡，抽真空的時間抽到溶膠外表無氣泡為止。2.2薄膜製作以旋轉塗佈方式製作PDMS薄膜；將PDMS溶膠塗佈於清潔過的矽晶片上，第一段轉速約100rpm轉30秒，第二段轉速約300rpm轉30秒，使PDMS溶膠均勻塗佈在矽晶片上，放入烘箱烘乾2小時，溫度設定90℃，乾燥後得到厚度約200μm之薄膜。將完全硬化之PDMS彈性薄膜製作成拉伸試片，拉伸試片規格見圖1。圖1拉伸試片規格2.3漣漪結構試片製作將拉伸試片分別以50％及110%伸長率拉伸後固定應變於夾具上

5、，在置入濺鍍機中，在真空度10pa~20pa下，濺鍍約34±5nm的金鍍層，最後給予應力回復。2.4顯微結構觀察將釋放應力之拉伸試片，使用OLYMPUSB071光學顯微鏡(OpticalMicroscope；OM)與HITACHIS-2600H掃描式電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscopy；SEM)觀察漣漪結構的型態。3.結果與討論3.1漣漪的形成機制PDMS給予拉伸及拘束應變，接著表面鍍上一層金鍍層後，給予應變回復，此時PDMS彈性薄膜內優選方位之分子鏈會回復至最低能量之捲曲狀態，由於金的楊氏係數(E=82Gpa)大於PDMS薄膜的楊氏係數12(E=0.604Mp

6、a)，此時回復應力將引發金鍍層與PDMS彈性薄膜界面間之壓縮應力；以力與力矩平衡的觀點，金鍍層對PDMS彈性薄膜具應力拘束，藉由PDMS彈性薄膜的回復應力均勻的傳遞，使PDMS彈性薄膜及金鍍層能均勻變形，而得到規則排列的波浪形狀，稱為漣漪結構(RippleStructure)見圖2(a)。3.2漣漪結構的缺陷abdc圖2漣漪結構缺陷：(a)漣漪結構，(b)類差排，(c)排向表面裂縫及(d)裂痕之SEM圖漣漪結構在大面積PDMS彈性薄膜表面產生時，同時會形成下列缺陷:類差排(Dislocation-like)、裂痕(Crack)、排向表面裂縫(OrientedSurfaceCrack)，分別

7、見圖2(b)，(c)及(d)如箭頭所示；從圖2中觀察到除規則排列之漣漪結構外，發現漣漪結構有局部排列不規則區域，見圖2(b)，這些漣漪分叉區域類似金屬受應力作用後，產生差排缺陷【6】，本研究稱此缺陷為類差排。PDMS彈性薄膜受單軸拉伸後，產生拉伸回復應力及側向回復應力，拉伸回復應力為漣漪的主要驅動力，而側向回復應力是排向表面裂縫的主要驅動，當引發的側向拉伸應力超過金鍍層或PDMS的破斷應力時，就會產生排向表面裂縫，見圖(