Подбор эффективного метода формирования пор на поверхности тонких плёнок полистирола
Конференция: I Международная заочная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Секция: Физика и технология наноструктур, атомная и молекулярная физика
I Международная заочная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Подбор эффективного метода формирования пор на поверхности тонких плёнок полистирола
Choosing an effective method of pores formation on the surface of polystyrene thin films.
Smirnov Andrei
Assistant, Saratov State University named after N.G. Chernyshevsky, Saratov, Russia
Исследование выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ (СП-677.2015.4)
Аннотация. В работе представлены результаты исследования морфологии поверхности тонких плёнок полистирола, модифицированных в плазмевысокочастотного магнетронного разряда аргона, смеси аргона и кислорода ис помощью источника ионов на основе торцевогохоловского ускорителя. Показано, что наиболее перспективным методом для формирования открытых пор на поверхности плёнок полистирола является обработка в плазме аргона.
Abstract. The results of the study of surface morphology of polystyrene thin films, modified by RF magnetronplasma discharge of argon, a mixture of argon/oxygen and using an end-Hall ion source. It is shown that the most promising method for the formation of open pores on the surface of the polystyrene film is etched by argon plasma.
Ключевые слова: плазменная обработка, модификация поверхности, полимерные тонкие пленки, полистирол.
Keywords: plasma treatment, surface modification, polymer thin films, polystyrene.
Введение. Полимерные тонкие плёнки широко распространены как в промышленности, так и в области медицины, нано-, био- и мембранных технологиях[2,3,6]. Недостаточная поверхностная энергия и адсорбционная способность вносит некоторые ограничения в область применения данных плёнок[5]. Одним из эффективных способов управления адсорбционной способностью является обработка поверхности в плазме[1,4].
Методика эксперимента. Тонкие плёнки полистирола получались методом центрифугирования. Скорость вращения подложки: 1500 об/мин. В качестве подложек использовались полированные пластины монокристаллического кремния размером 10x10 мм. Нанесение раствора полистирола в четырёххлористом углероде (соотношение смеси CCl4:ПС=96:4)на вращающуюся подложку происходило в герметичной камере в атмосфере насыщенных паров растворителя. Толщина полученных плёнок оценивалась по сколу образца при его наблюдении методом сканирующей электронной микроскопии и составила 160±20 нм. Модификация поверхности тонких плёнок полистирола осуществлялась в камере вакуумной установки Orion-40T(VTC, Южная Корея). Пластины с нанесенной пленкой полистирола располагались на мишени магнетрона в зоне эрозии.
Обработка в плазме осуществлялась при следующих режимах:
1) Рабочий газ: аргон, расход: 100 мл/мин, мощность разряда: 100 Вт, рабочее давление в камере: 1,9х10-3 мбар, предварительная откачка до 5х10-7 мбар. Время обработки: 40 секунд.
2) Рабочий/реакционный газ: аргон/кислород, расход: 80/20 мл/мин, мощность разряда: 100 Вт, рабочее давление в камере: 9х10-4 мбар, предварительная откачка до 5х10-7 мбар. Время обработки: 5 секунд.
Также использовался ионный источник ISP 301 A, напряжение на аноде составляло 140 В ток – 1,53 А, расход аргона – 15 мл/мин – время обработки 60 секунд.
Результаты и обсуждение. На рисунке 1 представлено СЭМ изображение поверхности плёнки полистирола обработанной в смеси аргон /кислород в соотношении а) 90/10, б) 80/20 мл/мин соответственно. Из рисунка видно, что поверхность плёнки в обоих случаях покрыта неглубокими порами со средним размером 43±3 нм. Плотность пор для соотношения газов 90/10 составляет 33 шт/мкм2, при увеличении содержания кислорода в общем потоке до 20 % увеличивается 73 шт/мкм2. При дальнейшем увеличении содержания кислорода в общем потоке плёнка полностью стравливается менее чем за 10 секунд обработки.
Рисунок 1. СЭМ изображение поверхности плёнки полистирола обработанной в смеси аргон/кислород в соотношении
а) 90/10, б) 80/20 мл/мин. соответственно
На рисунке 2 представлена микрофотография поверхности плёнки полистирола после обработки пучком ионов аргона. Поверхность представлена доменами со средним размером 20 ± 5 нм. Открытые поры на поверхности отсутствуют.
Рисунок 2. СЭМ изображение поверхности плёнки полистирола после обработки с помощью ионного источника
На рисунке 3 представлено СЭМ изображение поверхности образца плёнки полистирола после обработке в плазме ВЧ магнетронного разряда. СЭМ изображение позволяет детально рассмотреть структуру поверхности. Поверхность обработанной плёнки представлена частицами неправильной формы организованными в кластеры. На поверхности наблюдается наличие пор неправильной формы. Размер пор (ширина и глубина) варьируется в широком диапазоне от 20 до 300 нм.
Рисунок 3. СЭМ-изображения поверхности тонких плёнок полистирола после обработки в плазме ВЧ разряда аргона
Таким образом, среди рассматриваемых вариантов обработки поверхности, наиболее перспективной для формирования на поверхности открытых пор является обработка пленки полистирола в плазмемагнетронного ВЧ разряда аргона. Развитая поверхность делает подобные материалы перспективными с точки зрения использования их в качестве мембран в биосенсорных технологиях. Полученная пористая поверхность хорошо подходит для иммобилизации бактериофагов, размер которых варьируется в диапазоне 20-200 нм в зависимости от штамма.
