Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 2, стр. 39-42

ВВЕДЕНИЕ

Получение микрокристаллических диэлектрических и металлических композитных микро- и наноструктур с одинаковыми поперечными размерами необходимо для их использования при создании систем управления электромагнитным излучением оптического и рентгеновского диапазонов, элементов устройств хранения информации и оптоакустических устройств [1–4]. Одним из методов создания таких микроструктур является шаблонный синтез с применением пористых полимерных пленок [5, 6]. Идентичность размеров создаваемых в пленках микроструктур является важным критерием возможности их практического применения. Получение дополнительных функциональных преимуществ микроструктур за счет уменьшения размеров элементов возможно при использовании пленки с несквозными порами. Ранее было показано, что при принудительном течении пересыщенного раствора йодноватой кислоты (HIO₃) через поры трековой мембраны образуются игольчатые кристаллические микроструктуры с характерной огранкой [7].

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

С целью получения пленки с регулярным расположением пор полимерную пленку облучали синхротронным излучением из накопителя электронов ВЭПП-3 (Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН) перпендикулярно ее поверхности через маску в виде титановой мембраны толщиной 2 мкм [8]. На рис. 1 представлена микрофотография маски. Регулярные поры формировали путем травления пленки в водном 10%-растворе NaOH при температуре 60°С в течение 30 мин, затем ее промывали в дистиллированной воде.

Пористые пленки с хаотичным расположением пор – полимерные трековые мембраны – получены в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (ОИЯИ, Дубна) в процессе облучения полиэтилентерефталатной пленки ускоренными ионами Xe на циклотроне У-300 и последующего химического травления треков. Такие мембраны характеризуются небольшим разбросом диаметров (не более 5%) и цилиндрической формой пор [9]. Диаметр пор образцов составлял 0.7 мкм, плотность пор 2 × 10⁷ см^–2.

Для визуализации поровой структуры полученных образцов применяли растровые электронные микроскопы (РЭМ) FEI Scios (30 кВ) и FEI Quanta 200 3D (30 кВ) с энергодисперсионным детектором EDAX. Специальную пробоподготовку не проводили. Регулярная система пор, образовавшаяся в результате травления, характеризовалась соответствующими параметрами маски: расстояние между центрами пор 2.9 мкм, диаметр пор 1 мкм, поверхностная плотность пор 10⁶ см^–2. Длина пор соответствовала толщине пленки и составляла 10 мкм. Микрофотографии поверхности и скола сформированной регулярной пористой микроструктуры свидетельствуют о цилиндрической геометрии пор и шероховатости их поверхности (рис. 2, 3).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Были проведены исследования дифракции света на структуре с регулярной системой пор. Источником света служил He–Ne-лазер. Использовали схему дифракции “на просвет”, экран был расположен на расстоянии 0.5 м от мембраны. Дифракционная картина на регулярной мембране (рис. 4) представляла собой массив светлых рефлексов, локализация которых соответствовала картине дифракции на двумерной периодической структуре. Рефлексы локализованы на пересечении горизонтальных и вертикальных линий, для каждой из которых выполняется условие максимума:

где d₁ и d₂ – периоды такой двумерной регулярной структуры, d₁ = d₂, θ₁ и θ₂ – углы дифракции, n – порядок дифракции, λ – длина волны излучения. В рассматриваемом случае d₁ = d₂ (расстояние между центрами пор), θ₁ = θ₂. Явление дифракции на полученной пористой структуре также подтвердило ее регулярность. Применение систем с регулярно локализованными и перпендикулярными их поверхности порами и изготовленных на их основе диэлектрических и металлических микроструктур актуально в области создания новых оптических и электронных устройств.

Полученные пористые структуры использовали в качестве основы для формирования микроструктур HIO₃. Пористую пленку погружали в пересыщенный до 11% раствор при температуре 87°С. Затем пленку охлаждали в растворе до температуры 45°С и высушивали при комнатной температуре. В результате в порах формировались микроструктуры (рис. 5, 6), отличные от микроструктур, формирующихся при принудительном течении через микропоры пересыщенного раствора HIO₃. На облученной регулярной полимерной пленке также наблюдалась дифракция света, но менее интенсивная, чем в случае протравленной пленки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дифракция на системе пор в пленке, полученных в результате облучения через регулярную маску и последующего травления пленки, показывает регулярность их расположения и идентичность геометрии. Развитый метод шаблонного синтеза позволяет создавать регулярные микро- и наноструктуры на площадях размером порядка десятков квадратных сантиметров. Полученные в работе результаты могут быть использованы при создании элементов, способных модифицировать оптическое излучение, например, фотонных кристаллов, в том числе двумерно упорядоченных. Микроструктуры из нелинейных диэлектриков типа фазированной антенной решетки позволяют значительно увеличить сигнал второй гармоники по сравнению с генерацией в однородном объеме, что существенно расширяет возможности регистрации излучения за счет преобразования его частоты [10].