WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород)

На правах рукописи

Научный консультант: кандидат физико-математических наук

Н. М. Битюрин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор А. И. Смирнов ПИКУЛИН Александр Викторович кандидат физико-математических наук В. И. Соколов

Ведущая организация: Институт химической физики НЕЛОКАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ РАН НАНОПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Защита состоится «22» декабря 2008 года в 1500 часов на заседании диссер01.04.21 – лазерная физика тационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автореферат разослан «20» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор Ю. В. Чугунов Нижний Новгород – 2008 2 Как правило, фокусировка лазерного излучения производится объектиОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ вами с большой числовой апертурой (~1,4). При этом за счет перемещения облучаемого образца относительно перетяжки пучка можно получать сложные трехмерные изображения.

Актуальность проблемы В первых работах минимальные размеры структур составляли порядка Под общим термином «лазерное наноструктурирование» в рамках сонескольких микрон. В настоящее время получены отдельные полимерные временных нанотехнологий понимается совокупность методов, позволяювоксели (элементы трехмерных растров) с поперечным размером порядка щих получать субмикронные структуры произвольной формы при модифи70 нм [9]. В последних работах получены полимерные нити толщиной ококации вещества лазерным излучением. Создание поверхностных рельефных ло 23 нм [10].

объектов связано с такими процессами, как абляция, свеллинг или рекриКроме использования эффективных (и достаточно дорогих) объективов сталлизация [1-2]. Уникальное отличие лазерной полимеризации в том, что существуют другие методики фокусировки лазерного поля. Одна из них этот процесс предоставляет возможность создания твердых нанообъектов в подразумевает использование ближнепольных эффектов. Так, например, объеме [3-5]. Благодаря отличным оптическим и механическим свойствам при фокусировке излучения с помощью металлической иглы атомнополучаемых структур, нанополимеризация находит применение в фотонисилового микроскопа были получены приповерхностные полимерные ке, современных информационных технологиях, задачах микромашининга структуры с поперечной шириной 70 нм. Для обработки поверхности оди др.

ним из наиболее удобных и доступных фокусирующих устройств является Фотополимеризация – это набор химических реакций, протекающих прозрачный диэлектрический микрошарик. Микрошарики позволяют сфопод действием света в как правило жидкой среде, приводящих, в итоге, к кусировать лазерное излучение перед собой в области размерами порядка образованию твердого полимера. Образование твердого вещества происхо100 нм почти со 100% эффективностью.

дит в результате роста длинных цепных макромолекул путем последоваЕще один способ, применяемый для создания периодических распредетельного присоединения относительно небольших молекул мономера, вхолений электромагнитного поля с периодом порядка нескольких сотен нанодящего в состав полимеризационно-способной композиции. Такие макрометров – это многопучковая интерференция. Данный подход успешно исмолекулы образуют гель – сетку зацепления, которая обладает свойствами пользуется для получения периодических полимерных структур с целью твердого вещества.

создания фотонных кристаллов. Тем не менее, техника повоксельной полиПро данный процесс многое известно как с точки зрения физики, так и меризации является более гибкой, позволяя, например, создавать периодис точки зрения химии, так как изучение полимеризации продолжается уже ческие структуры с дефектами.

более 100 лет. Однако, при использовании лазеров, появилась возможность Существует множество публикаций, в которых применялись те или проведения фотополимеризации в наномасштабах. Здесь становятся сущеиные из вышеописанных методик. С использованием двухфотонной полиственными нелокальные физические эффекты, которые в макромасштабах меризации были получены гидрофобные иглы для атомно-силовых микроне проявляются. Рассмотрению таких эффектов и посвящена настоящая скопов, микророторы, вращающиеся в световом пучке, микроосцилляторы диссертация.

и микрошестеренки. Экспериментально изучались как отдельные воксели, Особое развитие нанополимеризация получила за счет использования так и сложные полимерные структуры. Тогда как в большинстве работ по лазеров с ультра-короткими импульсами. Острая фокусировка фемтосенаноструктурированию используются стандартные, коммерчески доступкундного лазерного излучения позволяет, за счет многофотонного механые полимеризационные композиции, известные под марками ORMOCER, низма поглощения, добиться высокой пространственной избирательности SU-8 или SCR500, в ряде работ изучается оригинальные композиции, в том структурирования. Благодаря нелинейному характеру многофотонных числе и биосовместимые.

процессов, полимеризация в этом случае происходит только в ограниченВ целях ускорения процесса лазерной полимеризации для промышленном фокальном объеме. Данный метод предложили в 1991 году Strickler и ных целей освоена методика инициирования полимеризации всего лишь Webb для трехмерной оптической записи информации [6]. В 1997 году Maодним фемтосекундным импульсом. Другой способ увеличить быстродейruo с соавторами применили его к задачам микроструктурирования [7]. В ствие – это использование массивов микролинз, позволяющих создавать 1998 году Борисов с соавторами продемонстрировали возможность создатысячи наноструктур одновременно.

ния периодических микроструктур таким методом [8].

Одним из важнейших вопросов для нанополимеризации является разрешающая способность, указывающая на то, какой миниатюризации можно 3 достигнуть при создании структур. С общей точки зрения, ограничение • создана теоретическая модель, описывающая полимеризацию, сопроразрешающей способности в процессе образования структур является следвождающуюся просветлением среды, при инициировании ультрафиоствием возникновения пространственных корреляций в распределениях летовым (УФ) лазерным излучением; при этом, продемонстрирован интенсивности лазерного поля, вещества в облучаемом образце и др. Таким такой режим полимеризации, при котором пространственный профиль образом, для улучшения возможностей наноструктурирования необходимо конверсии мономера в полимер имеет вид распространяющегося несистематическое изучение нелокальных эффектов, благодаря которым воздеформирующегося фронта;

никают такие корреляции.

• на основе теории градиентной перколяции создана модель, позволивНелокальные эффекты могут быть связаны как с фокусировкой лазершая связать ограничения разрешающей способности при нанополименого излучения, инициирующего полимеризацию, так и с процессами, проризации с флуктуационными неоднородностями в структуре получаетекающими в среде. Оба типа нелокальных эффектов изучаются в настоямого полимера; произведен численный эксперимент, позволивший щей диссертации. В частности, в главе 1 рассмотрены некоторые особенноподтвердить полученные аналитические результаты.

сти, возникающие при фокусировке лазерного излучения плотноупакованным массивом диэлектрических микрошариков. Глава 2 посвящена эффекПрактическая значимость:

там переноса вещества в обрабатываемом веществе в процессе полимериза• получено выражение для характерного масштаба, ограничивающего, ции. При этом, используется приближения заданного лазерного поля. Обза счет диффузии растущих полимерных цепей, разрешающую споратное влияние среды на лазерное излучение за счет изменения ее свойств в собность при наноструктурировании; сделаны оценки данного критипроцессе превращения мономера в полимер (а именно, за счет просветления ческого масштаба для полимеризующихся композиций, основываюсреды) рассмотрено в третьей главе диссертации. В главе 4 продемонстрищихся на мономерах TRGDMA и PEG600DMA;

рованы нелокальные эффекты, связанные со стохастическим характером • получена аналитическая формула, позволяющая оценить минимальные формирования полимерного геля.

размеры заполимеризованного вокселя ввиду ограничений, обусловленных флуктуационными неоднородностями полимерного геля;

Целью диссертации является:

• показано, что в режиме длительного стационарного во времени лазер• теоретическое исследование нелокальных эффектов, возникающих при ного воздействия можно получить обострение пространственного раснанополимеризации на различных стадиях этого процесса, включая пределения доли молекул мономера, превращенных в полимер (консоздание необходимых распределений лазерного поля, рост макромоверсии), и за счет этого добиться большей миниатюризации получаелекул и образования полимерного геля;

мых структур; для такого стационарного режима полимеризации сде• выявление физических механизмов ограничения разрешающей споланы оценки минимального размера вокселя при использовании монособности при наноструктурировании с помощью лазерной полимеримера TRGDMA;

зации и разработка методов ее улучшения.

• разработаны программные коды, не требовательные к вычислительным ресурсам, для расчета распределений электромагнитного поля Научная новизна работы:

вблизи кластера из нескольких диэлектрических шариков при воздействии плоской монохроматической волной.

• продемонстрирована важность эффектов перерассеяния электромагнитного поля при использовании коллоидных массивов диэлектричеПоложения, выносимые на защиту ских микрошариков в качестве фокусирующих систем в задачах нано- и микроструктурирования;

1) При использовании двумерных массивов плотноупакованных мик• разработан теоретических подход, позволяющий учесть диффузию рошарикров в качестве фокусирующих элементов, нелокальные электрорастущих полимерных цепей в процессе радикальной полимеризации;

магнитные эффекты перерассеяния могут значительно влиять на форму и • создана теоретическая модель лазерной нанополимеризации при ограамплитуду получаемых распределений лазерного поля.

ничении роста полимерной цепи кислородом при учете его диффузии;

2) При известном распределении лазерного поля, инициирующего напроанализированы различные временные режимы лазерного воздейстнополимеризацию, форма создаваемых структур в значительной степени вия с целью использования диффузии кислорода для улучшения разопределяется диффузионными процессами, протекающими в среде, что решающей способности;

5 может приводить как к ухудшению, так и к улучшению разрешающей спо- электромагнитного поля, форма которых обуславливает форму собности. образующихся в веществе структур.

3) Флуктуации – это принципиальный фактор, ограничивающий ми- ГЛАВА 1 диссертации посвящена нелокальным эффектам, имеющим нимальный размер структур, которые можно получить при обработке сред, место при фокусировке лазерного излучения. Ограничения минимального характеризующихся резким порогом интенсивности лазерного воздействия, размера, в который может быть сфокусирован монохроматический пучок необходимого для модификации вещества. Разрешающая способность ла- объективом с заданной числовой апертурой, были сформулированы зерной нанополимеризации ограничивается флуктуационными неоднород- Эрнстом Аббе еще в 1872 г. Обзор современных методик, позволяющих ностями образуемого полимерного геля. обойти данный барьер, приведен во введении к первой главе.

Для обработки поверхности одним из наиболее удобных и доступных фокусирующих устройств является прозрачный диэлектрический микрошаПубликация и апробация работы рик. Микрошарики позволяют сфокусировать лазерное излучение перед По теме диссертации были опубликованы 3 статьи в международных собой в области размерами порядка 100 нм почти со 100% эффективностью.

реферируемых изданиях. Изложенные в диссертации результаты обсуждаШарики из кварца или полистирола наносятся на кварцевую подложку в лись на семинарах отделения Нелинейной Динамики и Оптики ИПФ РАН виде коммерчески доступного коллоидного раствора, после высыхания ко(2006, 2008 гг.) и докладывались на международных конференциях EMRS торого, на подложке остается плотноупакованный монослой, состоящий из Spring Meeting (Strasbourg, France, 2007), LIILAC (Konstanz, Germany, 2006), десятков тысяч микрошариков. При облучении такого монослоя широким ICONO/LAT (Minsk, Belarus, 2007), ICPEPA (Sapporo, Japan, 2008). Также лазерным пучком за каждым из таких шариков формируется область усилерезультаты докладывались на школе «Нелинейные Волны – 2006» (Нижний ния электромагнитного поля.

Новгород, 2006), на Нижегородской сессии молодых ученых в 2005 и Задача о распределении электромагнитного поля, создаваемого при обгг. и на научной конференции по радиофизике (Нижний Новгород, 2005, лучении однородного шара внешней монохроматической электромагнитной 2008 гг.). По теме диссертационной работы был проведен семинар в волной получило название задачи Ми [11]. Решение такой задачи получено Angewandte Physik, Johannes-Kepler-Universitt Linz.

в виде бесконечного ряда векторных сферических гармоник. Важнейшим параметром при этом является параметр Ми – произведение радиуса сферы Личный вклад автора на волновое число. В качестве обобщения такой задачи также получено Все приведенные результаты либо получены автором лично, либо при распределение поля, которое создается при облучении нескольких сферичеего непосредственном участии.

ских тел.

В рамках данной работы созданы два программных кода, позволяющих Структура и объем диссертации произвести расчет распределений электромагнитного поля вблизи кластеров, составленных из диэлектрических микрошариков.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка В разделе 1.1 рассмотрен метод расчета распределений электромагнитлитературы. Общий объем работы – 132 страницы машинописного текста, ного поля методом обобщения задачи Ми на случай нескольких сферичевключая 29 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 132 наименоваских частиц. В рамках настоящей работы создана программная реализаций ний.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.