Использование наночастиц диоксида титана для управления показателем преломления фоторезиста SU-8 для синтеза трехмерных фотонных кристаллов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ФОТОРЕЗИСТА SU-8 ДЛЯ СИНТЕЗА ТРЕХМЕРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ

А.М. Герасимовл, Н.Д. Кундикова2, Ю.В. Микпяев5

Проведено исследование влияния наночастиц диоксида титана на оптические свойства суспензий. Рассчитан эффективный показатель преломления наночастиц диоксида титана. Получен нанокомпозитный материал: фоторезист SU-8/наночастицы TiO2 с низким уровнем рассеяния, объемным содержанием наночастиц 38 % и ориентировочным значением показателя преломления 1,97.

Ключевые слова: нанокомпозит, фоторезист, показатель преломления, фотонные кристаллы.

Введение

В настоящее время исследование возможностей управления показателем преломления оптических материалов вызывает повышенный интерес. В ряде практических применений очень желательным является высокий показатель преломления. Так, например, как показано в работе [1], эффективность светодиодов увеличивается почти в два раза, когда показатель преломления их оболочки увеличивается с 1,5 до 2,0. В то же время показатель преломления большинства оптических полимерных материалов достаточно невысок, и существенной проблемой является получение полимерных и фотополимерных материалов с показателями преломления выше 1,7 и ниже 1,3. Для повышения показателя преломления полимеров предлагалось использовать нанокомпо-зитные материалы, состоящие из полимера с металлическими и оксидными наночастицами, а для уменьшения показателя преломления применяется методика создания нанопористых систем оксида кремния, фосфида галлия [2]. Задача повышения показателя преломления материала возникает при синтезе трехмерных фотонных кристаллов с полной запрещенной зоной в видимом диапазоне длин волн. Наиболее низким значением контраста показателя преломления для возникновения запрещенной зоны обладают фотонные кристаллы с симметрией решетки алмаза. Так, в работе [3] показано, что решетки с такой симметрией, которые могут быть синтезированы из фо-тополимерных материалов методом интерференционной литографии, будут обладать запрещенной зоной при минимальном показателе преломления 1,9. Большинство существующих фоторезистов, применяемых для синтеза трехмерно-периодических структур имеют значение коэффициента преломления в видимой области около n = 1,7. В данной работе приводятся экспериментальные результаты по созданию композитного материала из фоторезиста SU-8 (n = 1,67) и наночастиц диоксида титана TiO2 с высоким объёмным содержанием наночастиц и низким уровнем рассеяния света.

Измерение эффективного показателя преломления наночастиц TiO2, диспергированных в воде и метилэтилкетоне

Для определения собственного показателя преломления наночастиц диоксида титана, диспергированных в воде и в MEK, мы использовали измерения показателя преломления суспензий на рефрактометре при разных концентрациях частиц. Для определения показателя преломления по полученным данным использовались две модели эффективной изотропной среды - модель Максвелла-Гарнетта и модель Бруггемана. Измерения коэффициента преломления суспензий TiO2 в заданной концентрации сравнивались со значениями, полученными путем расчета по двум упомянутым моделям. В качестве ориентира было взято табличное значение показателя прелом-

1 Герасимов Александр Михайлович - аспирант, кафедра оптики и спектроскопии, Южно-Уральский государственный университет. E-mail: Alexandro. gerasimov@gmail. com

2 Кундикова Наталия Дмитриевна - доктор физико-математических наук, профессор, декан физического факультета, отдел нелинейной оптики Института электрофизики РАН, кафедра оптики и спектроскопии, Южно-Уральский государственный университет.

E-mail: knd@susu.ac.ru

3 Микляев Юрий Владимирович - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра оптики и спектроскопии, Южно-

Герасимов А.М., Кундикова Н.Д., Микляев Ю.В.

ления для ТЮ2 в фазе анатаза п = 2,5. При этом значения показателя преломления для чистой воды (п1 = 1,334) и МЕКа (п2 = 1,38) при измерении практически совпали с табличными значениями (п1 = 1,33 и п2 = 1,378-1,38). На рис. 1, можно видеть сравнение экспериментальных данных с расчетными данными по моделям Максвелла-Г арнетта и Бруггемана для суспензии диоксида титана в воде и на рис. 2 для суспензии в МЕКе. Как видно из графиков, экспериментальные значения эффективного показателя преломления суспензий оказались близки к расчетным, а среднее значение эффективного показателя преломления наночастиц ТЮ2, рассчитанное по двум моделям, составило величину п = 2,49.

Таким образом, можно констатировать, что наночастицы ТЮ2 хорошо диспергированы в воде, а значение их эффективного показателя преломления близко к табличному значению показателя преломления кристаллической фазы диоксида титана.

Рис. 1. Измерение показателя преломления суспензий наночастиц ТЮ2 в воде

Рис. 2. Измерение показателя преломления суспензий наночастиц ТЮ2 в МЕКе

Синтез нанокомпозитного материала 8и-8/ТЮ2 с низким уровнем рассеяния и высоким содержанием наночастиц

Сам процесс приготовления нанокомпозитного материала достаточно сложен и включает в себя несколько этапов. На первом этапе мы имеем специально приготовленную суспензию диоксида титана в растворителе, применимом для используемого фоторезиста. В нашем случае мы использовали МЕК и специальным образом стабилизированные для данного растворителя наночастицы диоксида титана. Затем отмеряли количество сухого фоторезиста, необходимое для соблюдения объемной пропорции с диоксидом титана, так, чтобы объемная доля последнего была равна 38 %. Процесс растворения фоторезиста в суспензии лучше всего проводить центрифугированием емкости с суспензией при 2000-3000 об/мин в течение короткого времени - 3-5 мин. Не рекомендуется использовать ультразвук той же частоты, что и при приготовлении суспензии, так как при добавлении фоторезиста резонансные частоты твердых компонент суспензии изменятся и это может вызвать агрегацию наночастиц. Фоторезист растворяется в суспензии и на выходе мы имеем нанокомпозитный материал с нужным объемным соотношением твердых компонент. Затем растворитель частично испаряется до достижения «рабочей» вязкости фоторезиста.

На выходе мы имеем готовый нанокомпозитный материал, представляющий собой массу, несколько более жидкую, чем исходный фоторезист с растворителем, к тому же немного изменившую цвет - с прозрачного она стала немного отливать желтизной. Данный материал - будущая основа трехмерных периодических структур, которые в теории обладают фотонной запрещенной зоной. Итак, путем растворения 8И-8 в суспензии ТЮ2 в МЕК был создан нанокомпозит 8И-8/ТЮ2 с объемным содержанием наночастиц ТЮ2, равным 38 %. Согласно значениям эффективного показателя преломления наночастиц ТЮ2, полученным в ходе экспериментов с суспензиями, можно дать приблизительную оценку величины показателя преломления данного нанокомпозитного материала. Более точная оценка получается по модели Бруггемана, так как данное приближение лучше подходит для композитных материалов с большими концентрациями наночастиц. Согласно данной модели, значение коэффициента преломления полученного нанокомпозитного материала получилось равным 1,97. Данное значение показателя преломления материала близко к тем пороговым значениям, которые требуются для возникновения фотонной запрещенной зоны.

Краткие сообщения

Проверка возможности использования композитного материала SU-8/TiO2 для интерференционной литографии

В ходе экспериментов нами был получен нанокомпозитный материал с высокой концентрацией наночастиц TiO2 и низким уровнем рассеяния света. Однако сама возможность синтеза фотонных кристаллов из подобного материала нуждается в проверке, поскольку неизвестно, насколько изменились фотохимические свойства данного фоторезиста при его замене по объёму более чем на треть наночастицами TiO2. Для такой проверки была проведена серия экспериментов, которые доказали, что нарушения процесса полимеризации при таком высоком содержании наночастиц не происходит. В результате освещения светом ультрафиолетового диапазона и высушивания пленок композитного материала после проявки полученный материал является устойчивым к растворителям неполимеризованного фоторезиста. Это подтвердило возможность синтеза из полученного материала фотонных кристаллов методом интерференционной литографии.

Измерение уровня рассеяния композитного материала SU-8/TiO2

Полученный нанокомпозитный материал в виде прозрачной пленки был нанесен на стеклянную подложку, после чего фоторезист был полностью полимеризован. Для оценки уровня рассеяния данного композитного материала проводились измерения интенсивности пропускания падающего по нормали на пленку фоторезиста излучения He-Ne лазера. Коэффициент пропускания образца с наночастицами оказался на 10 % меньше, чем у образца с фоторезистом без наночастиц.

В заключение получен новый нанокомпозитный материал, состоящий из фоторезиста SU-8 и наночастиц диоксида титана с объёмной концентрацией наночастиц около 38 %. Данный материал обладает требуемыми фотохимическими свойствами, характерными для исходного фоторезиста, низким уровнем рассеяния света и ориентировочным показателем преломления 1,97. Данные измерений свидетельствуют о том, что данный нанокомпозитный материал может быть использован для синтеза трехмерных фотонных кристаллов методом интерференционной литографии.

Литература

1. High-refractive-index TiO2-nanoparticle-loaded encapsulants for light-emitting diodes / F.W. Mont, J.K. Kim, MF. Schubert et al. // J. Appl. Phys. - 2008. - V. 103. - P. 083120.

2. Головань, Л.А. Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористых систем / Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров // УФН. - 2007. - Т. 177, № 6. - C. 619-638.

3. Sharp, D.N. Holographic photonic crystals with diamond symmetry / D.N. Sharp, A.J. Turberfield, R.G. Denning // Phys. Rev. B. - 2003. - V. 68. - P. 205102.

Поступила в редакцию 19 сентября 2012 г.

THE USE OF TITANIUM DIOXIDE NANOPARTICLES TO CONTROL THE REFRACTIVE INDEX OF THE PHOTORESIST SU-8 FOR THE SYNTHESIS OF THREE-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTALS

A.M. Gerasimov1, N.D. Kundikova2, Yu.V. Miklyaev3

The effect of titanium dioxide nanoparticles on the optical properties of the suspensions is studied in the article. The effective refraction index of titanium dioxide nanoparticles is calculated. Nanocomposite material synthesis, consisting of SU-8 photoresist and nanoparticles TiO2 is obtained. This material demonstrates low light scattering with volume filling factor 0,38 and value of the refraction index which is about 1,97.

Keywords: nanocomposite, photoresist, refraction index, photonic crystals.

References

1. Mont F.W., Kim J.K., Schubert M.F., Schubert E.F., Siegel R.W. High-refractive-index TiO2-nanoparticle-loaded encapsulants for light-emitting diodes. J. Appl. Phys. 2008. Vol. 103. p. 083120.

2. Golovan L.A., Timoshenko V. Yu., Kashkarov P. K. Optical properties of porous-system-based nanocomposites. Phys. Usp. 2007. Vol. 50. pp. 595-612. DOI: 10.1070/PU2007v050n06ABEH006257

3. Sharp D.N., Turberfield A.J., Denning R.G. Holographic photonic crystals with diamond symmetry. Phys. Rev. B. 2003. Vol. 68. p. 205102.

1 Gerasimov Alexander Michaylovich is Post-graduate student, Optics and Spectroscopy Department, South Ural State University.

E-mail: Alexandro.gerasimov@gmail.com

2 Kundikova Nataliya Dmitrievna is Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Dean of Physics Faculty, Join Nonlinear Optics Laboratory of IEF RAS, Optics and Spectroscopy Department, South Ural State University.

E-mail: knd@susu.ac.ru

3 Miklyaev Yuriy Vladimirovich is Cand. Sc. (Physics and Mathematics), associate professor, Optics and Spectroscopy Department, South Ural