激光与聚合物的相互作用(I)激光诱导聚酰亚胺表面周期性微结构制备研究

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1、上海交通大学博士学位论立第一章前言1．1激光技术在聚合物材料研究中的应用激光是高亮度的相干光束，是放大的受激辐射光。“激光”一词的英文原名“LASER”即为LightAmplificationbyStimulaledEmissionofRadiation(辐射的受激发射的光放大)。所谓的激光，是指在泵浦源激发下处于粒子数反转的工作物质在光学谐振腔内振荡，抑制自发发射，增强受激发射．不断获得光放大，这时从谐振脏轴线方向发射出来的光。与普通光相比，激光有着一系列特异的性能：极高的单色性，良好的相干性和方向性，高亮度”1。激光的优良特性使它为材料的分解、台成、聚合和改性等提供了新的手段，并为进一步了

2、解化学变化过程和增强控制化学变化的能力提供了新方法。因此它一经产生，就引起了物理、比学、材料研究人员的广泛关注，并被应用于打孔、切割、焊接等材料加工领域，以及激光测距等高技术领域。随着激光技术的迅速发喂，它在各个领域的应用正在日益拓展。亡相对于半导体、金属材料而言，大部分聚合物材料在紫外光区域有强烈的吸收，而且其化学键的键能与紫外激光光子能量比较接近，因此在激光作用下容易发生各种光化学反应，从而引发一系列化学和物理性质的变化(见表1．1t21)，这些现象在高科技领域显现出美好的应用前景，因此吸引了科技工作者的广泛关注。激光技术在聚台物材料研究领域的应用，目前主要有以下几个方面：(1)表面微结构

3、的制备。激光加工的尺寸通常取决于所采用的激光波长．由于紫外激光波长短，能够加工微米．纳米级尺寸的图形，在微电子、光学等领域有着广泛的应用前景，因而紫外激光消融技术一直是近年来的研究热点叫11，并且得到了迅速应用，例如聚酰亚胺的紫外激光消融目前已经成为电子封装的常规技术。采用激光技术在聚合物材料表面制各傲结构主要包括以下三类：一是双光束干涉图形的制备112“61。使两束相干激光在聚台物样品表面发生干涉，从而得到与干涉图形相对应的微米．纳米级尺寸的图形。Holme研究小组㈦采用波长为488nm的可见偏振激第1页上海交通大学博士学位论文表1一l激光诱导的材料化学反应和相应的物理性质的变化【2化学反应

4、物理性能交联可溶性脱氢粘跗性非碳原子损失光学性能扩散、掺杂、混合生物相溶性小分子逸出密度、硬度骨架重组无定形、结晶碳化电学性能光化学离解波导性能光在含有偶氮苯的聚合物表面得到了周期性表面干涉图形．并成功地将其应用于微米级尺寸图形的存储。Phillips等A．t”7采用准分子激光，用双光束干涉法在聚酰亚胺等聚合物材料表面制各得到了十分均匀的宽度约为30纳米的干涉线条。Ozaki等人【t4,151采用氩离子激光在掺杂有导电聚合物并含有偶氯基团的聚丙烯酸酯薄膜表面制备了干涉条纹结构，该结构显示了特殊的光致发光性能。但是用双光束干涉法制备表面微条纹结构，得到的图形面积十分有限，而且需要较为复杂的光学系

5、统。二是单光束制备激光诱导周期性表面微结构(LIPSS)。采用一束偏振激光照射聚台物材料表面．直接制各出周期性微条纹结构。这种办法十分简便，不需要外加的光学系统，而且通过扫描的办法，能够得到大面积的微结构图形。这也是本论文的研究重点．将在下面作详细介绍。三是锥形微结构的制各。Silvain研究小组发现㈤，用Nd：YAG激光器的二倍频输出以及KrF准分子激光能够在混合有碳黑的弹性体表面得到纳米尺寸的锥形微结构。(2)激光表面改性。用激光处理聚合物材料表面，能够在不损伤材料本体的条件下对聚合物的表面性能进行‘‘冷加工”，得到人们所需要的性能。Rossier等人㈣发现，采用波长为193am的高能量激

6、光照射聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜表面，不仅能够提高表面的结晶度，而且能够提高其表面润湿性。Laurens等人‘”1采用波长为193am的ArF激光处理聚醚醚酮、聚碳酸酯和环氧树脂表面，发现聚合物表面化学结构重组，产生了较多的极性基团，从而提高了表面润湿性。第2页●t上海交通大学博士学位论文由于一般的聚合物材料都是绝缘体，在某些场合人们希望提高其表面的导电性。Feurer研究小组㈣采用波长为248nm的KrF准分子激光处理聚酰亚胺薄膜表面，将其电导率提高了16个数量级，困而引起了研究人员的极大兴趣。Wynn等人[211用适当波长和能量的、激光照射聚酰亚胺材料，在其表面形成了导电的碱化层，

7、能够作为电极来使用。人们还发现，用紫外激光照射聚合物材料表面，能够大大提高其化学电镀的活性I”。51。例如，Bekdsi等人f”镰用波长为308nm的XeCI紫外激光照射聚酰亚胺表面后，能够显著提高钯原子向聚酰亚胺表面沉积的速度。此外，Huang等人口q还用Nd：YAG激光的二倍频输出在氩气气氛中照射苯基炔聚合物薄膜，在薄膜表面得到了金刚石簇结构。(3)激光引发光化学反应。近年来，人们发现通过偏振