Создание микрорельефа на поверхности стекла путем нанесения и закрепления микрочастиц аэросила в условиях ВЧИ-разряда пониженного давления

УДК 535:533.9

А. В. Трофимов, Э. Ф. Вознесенский, В. Е. Горелышева, И. Ш. Абдуллин

СОЗДАНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ СТЕКЛА ПУТЕМ НАНЕСЕНИЯ И ЗАКРЕПЛЕНИЯ МИКРОЧАСТИЦ АЭРОСИЛА В УСЛОВИЯХ ВЧИ-РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: микрорельеф, стекло, ВЧИ-разряд пониженного давления, аэросил, конфокальная лазерная сканирующая

микроскопия, напыление.

Исследованы процессы создания микрорельефа на поверхности стекла путем нанесения и закрепления рельефного покрытия из пирогенного диоксида кремния (аэросил) в условиях плазмы высокочастотного разряда пониженного давления. Определена дисперсность частиц аэросила методом динамического светорассеяния. При инжекции частиц в разряд на подложке получено равномерное и устойчивое покрытие.

Keywords: a microrelief, glass, RFI-discharge of low pressure, aerosil, confocal laser scanning microscopy, a dusting.

Creation of a microrelief on a glass surface by coating and fixing of a relief covering from pirogenny of silicon dioxide (aerosil) in the conditions of plasma of the low pressure radio-frequency discharge is investigated. Research of dispersion of particles aero force was conducted by method of dynamic light scattering. The uniform and steady covering is treated.

В настоящее время в технологиях производства материалов сформировалась новая тенденция обработки поверхности - создание функционального микрорельефа [1]. Существует широкий спектр технологий формирования рельефа на поверхности материала.

Работа посвящена созданию микрорельефа на поверхности стекла путем нанесения и закрепления рельефного покрытия из пирогенного диоксида кремния (аэросил) в условиях плазмы высокочастотного разряда пониженного давления.

Для проведения экспериментов использовались образцы предметного стекла. Обработка проводилась в плазме высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда пониженного давления, в исследованиях использовалась экспериментальная ВЧИ-плазменная установка описанная в источнике [2].

Дисперсность частиц аэросила исследована методом динамического светорассеяния на комплексе для анализа наночастиц ZetaPALS 90 Plus фирмы Brookhaven, США. Результаты измерений представлены на рис. 1. Система демонстрирует наличие двух коллоидных фракций с размерами частиц 147,01-195,64 нм, 571,21-816,42 нм.

Проведен ряд экспериментов по нанесению покрытия, в ходе которых образцы стекла устанавливались над срезом плазмотрона в вакуумной камере экспериментальной ВЧИ-плазменной установки. Режим плазменной обработки варьировался по времени и высоте установки образца над срезом плазматрона. Режим обработки: ток на аноде генераторной лампы Ia = 1,5A; давление в рабочей камере P = 50 Па; расход плазмообразующего газа G = 0,06 г/с; продолжительность обработки т = 5-180 мин; в качестве плазмообразующего газа использовался аргон [3-4]. Для создания микрорельефа на поверхности стекла, подготовленные образцы устанавливались над плазмотроном, на высотах в 20, 40 и 60 мм. Изображения, полученного рельефа, исследованы

методом конфокальной лазерной сканирующей

микроскопии (КЛСМ) на приборе Olympus Lext

OLS-4100, результаты приведены на рисунках (рис 2-4).

Рис. 1 - Гистограммы распределения размеров частиц аэросила

В результате нанесения покрытия на образец при расстоянии в 20 мм от среза плазмотрона получили на поверхности рельеф со следующими размерами: латерально 6-12 мкм; по высоте 800 нм; межструктурные пространства 6-22 мкм. При установке образца на высоте 40 мм от среза плазмотрона получили на поверхности рельеф с размерами: латерально 5-9 мкм; по высоте 800 нм; межструктурные пространства 7-11 мкм. При высоте установки 60 мм от среза плазмотрона получили на поверхности рельеф со следующими размерами: латерально 13-20 мкм; по высоте 600 нм; межструктурные пространства 7-12 мкм. Расчетные параметры шероховатости образцов представлены в табл.1.

в

Рис. 2 - КЛСМ-изображение поверхности стекла после нанесения микрочастиц аэросила, высота установки образца над срезом плазмотрона: 20 мм

Таблица 1 - Средние значения расчетных параметров шероховатости образцов

Высота установки образца, мм Параметр шероховатости

Rz, мкм Ra, мкм Rsm, мкм

20 1.121 0.243 1.787

40 1,139 0,255 2,722

60 0,547 0,119 1,613

Каждый образец был выдержан в этиловом спирте, в течении 20 минут. Предполагалось, что большая часть частиц аэросила удерживается на поверхности образцов за счет электростатического и межмолекулярного взаимодействия. При этом рельеф, созданный на образце, который расположен на высоте 20 мм от среза плазмотрона, не вымылся этиловым спиртом, при высоте в 40 мм осталось ровное напыление, излишки удалены этиловым спиртом, образец, который находился на высоте 60 мм вымылся почти полностью.

Наилучший рельеф, получился при высоте установки в 40 мм от среза плазмотрона. Микрорельеф на этом образце варьируется в пределах латеральных размеров 5-9 мкм. Таким образом, выявлено, что наилучшая высота для размещения образца над плазмотроном является 40 мм, что и подтверждено в результате анализа микрофотографий КЛСМ. Микрофотографии образцов после выдержки в спирте приведены ниже на рис. 3.

в

Рис. 3 - КЛСМ-изображение поверхности стекла после напыления микрочастиц аэросила в ВЧИ-разряде и промывки в этаноле; высота установки образца: 20 мм

Вывод: Экспериментально исследовали возможность формирования крупного микрорельефа на поверхность стекла путем нанесения и закрепления микрочастиц аэросила в плазме ВЧИ разряда пониженного давления. Наиболее равномерный и устойчивый рельеф, к физико-механическим воздействиям, получается при размещении заготовки в рабочей камере на высоте в 40 мм от среза плазмотрона. Частицы аэросила подаются в газовую магистраль установки и инжектируются в разряд через основание плазматрона. Микрорельеф на этом образце варьируется в пределах латеральных размеров 5-9 мкм, высотой 800 нм и межструктурные пространства 7-11 мкм.

Работа выполнена в рамках контракта №13-

101/470К от 11 июня 2013г. (тема 52-13).

Литература

1. Трофимов, А.В. Формирование функционального микрорельефа на поверхности поликристаллических материалов в условиях НТП / А.В.Трофимов, Э.Ф.Вознесенский, И.Ш.Абдуллин, М.Алкин, Фадеев А.О. // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - № 12. - С. 98-101.

2. 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.

3. Мифтахов И.С. Ионная полировка оптических материалов аморфного строения в условиях ВЧ-разряда

пониженного давления / И. С. Мифтахов, Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, // Вестник казанского технологического университета. - 2014. -№ 23.- С. 73-74.

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

© А. В. Трофимов, асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, m_storm.zip@mail.ru; Э. Ф. Вознесенский, д.т.н., проф. той же кафедры, howrip@mail.ru; В. Е. Горелышева, бакалавр гр 4321-11 той же кафедры; И. Ш. Абдуллин, д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru.

© А. V. Trofimov, postgraduate student of department Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials, KNRTU, m_storm.zip@mail.ru; E. F. Voznesensky, Doctor of Technical Sciences, Professor of the same department, howrip@mail.ru; V. E. Gorelysheva, bachelor gr4321-11 of the same department; 1 Sh. Abdullin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of. of department Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials, KNRTU,: abdullin_i@kstu.ru.