Формирование функционального микрорельефа на поверхности оптических материалов аморфного строения в условиях ВЧ-разряда пониженного давления

УДК 535:533.9

А. В. Трофимов, Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, М. Алкин

ФОРМИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ АМОРФНОГО СТРОЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЧ-РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: ВЧразряд, распътение, аморфная структура, шероховатость, атомно-силовая микроскопия, рельеф.

Исследованы структурные эффекты модификации поверхности стекла в условиях ВЧ-плазмы пониженного давления. В качестве направления исследования выбрана реализация лотоса-эффекта на поверхности изделий за счет создания функционального микрорельефа для последующего нанесения гидрофобизирующих покрытий.

Keywords: RF-discharge, sputtering, amorphous structure, roughness, atomic force microscopy, relief.

The structural effects of modification of the glass surface in a low pressure radio-frequency plasma is investigated.The purpose of research is implementation lotus effect on the surface of materials by creating functional microrelief for the subsequent application of hydrophobic coatings.

Направленная модификация поверхностного слоя оптических материалов, как правило, имеет целью управление рельефом поверхности; увеличение лиофобности поверхности; улучшить гигиенические свойства; улучшить защиту от загрязнений и др.

Создание рельефов на поверхности оптических материалов является на сегодняшний день актуальной научно-технической задачей. А также имеется ряд исследований в данной области [1].

НТП модификация является перспективным методом преобразования структуры поверхности материалов различного строения с широким диапазоном достигаемых эффектов с возможностью нанесения и закрепления покрытий.

В качестве направления исследования выбрана реализация эффекта лотоса на поверхности оптических материалов и изделий за счет создания функционального микрорельефа в условиях НТП и для последующего нанесения гидрофобизирующих покрытий [2].

В качестве объектов исследования использовались образцы стекла (предметное стекло для микроскопии) [3]. Рельеф поверхности стекла перед процессами НТП модификации исследовался методом АСМ (атомно-силовой микроскопии) в контактном режиме, результаты исследований приведены на рис. 1.

АСМ-изображения позволяют более наглядно изучить детали исходного рельефа. На изображении видно малую шероховатость поверхности стекла. Имеется дефекты в виде выделяющихся возвышенностей, возможно это связано с технологическим процессом производства данного стекла. Анализ рельефа позволяет выявить наиболее типичные размеры шероховатости в пределах 5-20 нм.

Обработка проводилась в плазме высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда пониженного давления [4] в экспериментальной ВЧИ-плазменной установке описанной в источнике [5]. Проведен ряд экспериментов в ходе которых

образцы стекла устанавливались над срезом плазмотрона (на высоте 60 мм) в вакуумной камере экспериментальной ВЧИ-плазменной установки.

б

Рис. 1 - АСМ-изображение поверхности образца стекла до НТП обработки, размер кадра 5x5 мкм

Режимы плазменной обработки варьировались в следующих пределах: напряжение на аноде генераторной лампы 1а = 1-2,7 А; давление в рабочей камере Р = 40-90 Па; расход плазмообразующего газа О = 0,01-0,08 г/с; продолжительность обработки т = 5-180 мин; в качестве плазмообразующего газа использовался аргон; на держатель образцов также подавался дополнительный потенциал и ±10-50 В [6]. Во всех экспериментах наблюдалось уменьшение шероховатости на 30-60 % благодаря процессам ионного распыления рельефа поверхности. Таким образом, установлено, что при обработке рельефной поверхности изотропного аморфного материала без

применения тех или иных «масок» и дополнительных реагентов в условиях фронтальной экспозиции в ВЧИ- разряде пониженного давления технически невозможно формирование развитого микрорельефа.

Рассмотрена иная схема ВЧИ обработки образцов стекла. Образец помещался внутрь плазмотрона на 1/3 длины плазмотрона. Обработка проводилась в щадящем режиме: 1а = 1 А; Р = 60 Па; О =0,04 г/с; т = 10 мин; плазмообразующий газ -аргон. После обработки установлено, что нижний срез образца оплавился, а в средней части сформировалась матированная область, не удаляемая при обработке растворителями.

Матированная зона образца исследована методом АСМ в контактном режиме, результаты

б

Рис. 2 - АСМ-изображение поверхности образца стекла после НТП обработки, размер кадра 5x5 мкм

АСМ-изображения образца, обработанного в ВЧИ-плазме, позволяют оценить изменение нанорельефа поверхности. Так поверхность стекла

становится более развитой (рис. 2), но наблюдается неравномерное распределение возвышенностей. Большая часть возвышенностей имеют высоты в диапазоне 14-70 нм и латеральные размеры 300500 нм. Некоторые выступы имеют округлую форму, что свидетельствует об их формировании из капельной фазы. Таким образом, наблюдается процесс перенапыления материала образца. Капельная фаза стекла с расплавленной зоны наносится и осаждается на поверхности, образуя нанорельеф.

Анализ результатов исследования рельефа образцов поликристаллического материала после ВЧИ-плазменной обработки с возрастающей интенсивностью воздействия показал, увеличение развития рельефа. Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о технической невозможности развития рельефа однофазного аморфного материала при фронтальной экспозиции, однако при помещении расходного материала в высокотемпературную область разряда возможно добиться напыления капель стекла на подложку.

Литература

1. Петровнина, М.С. Изучение влияния способа получения золей нанодисперсного оксида кремния и нанокомпозитов на его основе на свойства оптико-функциональных покрытий / М.С. Петровнина, П.В. Гришин, В.Е. Катнов, С.Н. Степин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - № 6. - С. 67-69.

2. Бартенев. Г. М. Строение и механические свойства неорганических стекол / Г. М. Бартенев. - М.: Стройиздат, 1966. - 216 с.

3. М.С. Петровнина, П.В. Гришин, В.Е. Катнов, С.Н. Степин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - № 6. - С. 67-69.

4. Вурзель Ф.Б. Плазменная обработка стекла. / Ф. Б. Вурзель, В. Ф. Наза-ров, Е. М. Попова // Физика и химия обработки материалов. - 1978 -№2-С.53-57.

5. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2000. - 348 с.

6. Вильчинская, С.С. Оптические материалы и технологии: учебное посо-бие / С.С. Вильчинская, В.М Лисицын. -Томск: Изд-во Томского по-литехнического университета, 2011.-107 с.

© А. В. Трофимов - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, fortmayn@mail.ru; Э. Ф. Вознесенский - д.т.н., профессор той же кафедры, howrip@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; М. Алкин -студ. той же кафедры.

© A. V. Troflmov - graduate student of « Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, fortmayn@mail.ru; E. F. Voznesensky - Doctor of Technical Sciences, Professor of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, howrip@mail.ru; 1 Sh. Abdullin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of. « Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, abdullin_i@kstu.ru; M. Alkin - student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU.