Исследование процессов формирования малоразмерных и объемных полимерных элементов в фотоотверждаемых композиционных материалах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Булгакова, Вера Геннадьевна

• Булгакова, Вера Геннадьевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Булгакова, Вера Геннадьевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Методы получения малоразмерных и объемных полимерных элементов и используемые материалы

1.2 Обоснование цели и задач работы

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ МИКРОСТРУКТУР В ПЕРИОДИЧЕСКОМ СВЕТОВОМ ПОЛЕ

2.1 Методика исследований

2.2 Закономерности и механизмы формирования объемных микроструктур в периодическом световом поле

2.3 Использование результатов

2.4 Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР В ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМ ПОЛЕ

3.1 Исследование процессов формирования периодических структур методом интерференционной литографии

3.2 Исследование процессов голографической записи в фотоотверждаемых акрилатных композициях

3.2.1 Исследование кинетики и механизмов голографической записи в композициях с различным составом

3.2.2 Влияние характеристик интерференционного поля на процесс формирования и дифракционные свойства структур

3.2.3 Влияние последующей засветки и температуры на дифракционные свойства структур

3.2.4 Применение результатов

3.3 Выводы

80

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРЕХМЕРНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

4.1 Формирование объемных элементов

при проекции двумерного распределения интенсивности излучения на поверхность объемного материала

4.2 Формирование элементов трехмерной конфигурации при проекции трехмерного распределения интенсивности излучения в объем

фотоотверждаемого материала

4.3.Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессов формирования малоразмерных и объемных полимерных элементов в фотоотверждаемых композиционных материалах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Интенсивное развитие информационных систем, систем связи, приборостроения выдвигает возрастающие требования к элементам приборов и систем и технологиям их получения. В последние годы наблюдается интерес к технологиям, обеспечивающим сочетание высоких оптических характеристик с высокими экономическими показателями. К таким технологиям относятся полимерные технологии. В настоящее время исследования многих ведущих мировых научных центров направлены на разработку методов и технологий получения полимерных элементов, что определяется, как преимуществами полимерных технологий, так и востребованностью полимерных элементов в различных областях науки и техники: электроника, связь, микромеханика, медицина, биология, информационная и лазерная техника, химия, приборостроение. Основные тенденции характеризуются направленностью на уменьшение размеров элементов — микро- и нанотехнологии, а также 3-0 технологии. Среди многообразия востребованных конфигураций особое место занимают периодические структуры. Элементы периодической конфигурации находят применение в качестве селектирующих элементов, элементов управления световыми пучками, в том числе, в волоконных линиях связи, фотонных кристаллов, брэгговских структур, микрорезонаторов лазеров.

Прогресс полимерных технологий, в значительной степени определяется характеристиками и свойствами материалов. Диссертационная работа ориентирована на использование фотоотверждаемых материалов — композиций на основе акрилатных мономеров и нанокомпозитов, разрабатываемых на кафедре Инженерной Фотоники Университета ИТМО. Интерес к процессам фотоотверждения и фотоотверждаемым материалам связан с тем, что формирование полимерных элементов происходит в результате только светового воздействия или требуются относительно простые процессы последующей

обработки. Преимуществами акрилатных композитов являются также особые свойства, связанные с радикальным механизмом полимеризации, которые определяют процессы формирования и характеристики элементов, возможность управления свойствами при введении различных компонент, в том числе, неорганических наночастиц, а также использование коммерческих компонент, относительно низкая стоимость и доступность. В то же время, механизмы формирования малоразмерных структур в таких материалах достаточно сложны, определяются множеством факторов, в том числе, свойствами композиций, характеристиками светового поля, используемыми методами и в настоящее время не достаточно изучены. К началу работы процессы формирования элементов в акрилатных композициях наиболее детально исследовались применительно к получению микролинз методом тоновой литографии, а также элементов на торце оптоволокна.

Объекты исследования — фотоотверждаемые мономерные композиции и нанокомпозиты на основе акрилатных мономеров, разработанные на кафедре Инженерной Фотоники.

Методы исследования и приборы;

1. Оптическая микроскопия: «Лабомед-3», «OLYMPUS, 8ТМ6»-измерения размеров структур.

2. Атомо-силовая микроскопия: микроскоп «Caliber» фирма «VEECO» (Университет г. Дебрецен, Венгрия) - исследование поверхности структур.

3. Измерение профиля структур: микроинтерферометр Линника «МИИ-4».

4. Измерение оптического пропускания в УФ и видимом диапазоне: спектрофотометр «Shimadzu UV-1800».

5. Лабораторная установка с источником УФ излучения ДРШ 250-3 (к=365 нм, мощность излучения 100 Вт) - фотоотверждение

6. Лабораторная голографическая установка на базе He-Cd лазера «ГКЛ - 40(И)», одномодового, одночастотного He-Cd лазера «Kimmon IK5651R-G» (А,=325, 442 нм), DPSS лазера (к=532 нм) - получение полимерных структур.

7. Лабораторная установка на базе He-Ne лазера (к=633 нм) - измерения дифракционной эффективности.

8. Лазерный литограф «Laser Graver2500SP47», лабораторная фотопроекционная установка — изготовление амплитудных масок.

Цель диссертационной работы - исследование процессов формирования малоразмерных и объемных периодических структур и элементов трехмерной конфигурации в фотоотверждаемых акрилатных композициях и нанокомпозитах.

Процессы формирования малоразмерных и объемных элементов рассматриваются применительно к методам глубокой и интерференционной литографии, голографической записи, проекционной голографической литографии. Особое внимание уделяется процессам формирования периодических структур.

Основные задачи работы:

- исследование процессов, закономерностей и механизмов формирования малоразмерных структур в периодических световых полях;

- исследование факторов, определяющих размерные и дифракционные характеристики периодических структур;

исследование процессов формирования полимерных элементов произвольной трехмерной конфигурации.

Поставленные задачи относятся к широкому кругу научных и практических проблем и направлены на расширение представлений о физических процессах, определяющих формирование и характеристики полимерных элементов, а также расширение областей практических применений.

Научная новизна работы

1.Выявлены основные процессы, закономерности и механизмы, определяющие формирование объемных микро- и наноразмерных структур в фотоотверждаемых акрилатных композитах в периодическом световом поле, установлена связь с характеристиками светового поля, составом композиций, толщиной слоя применительно к методам глубокой и интерференционной литографии и голографической записи:

- Показано, что при размерах световых областей меньших периода светового поля возможно существенное уменьшение поперечных размеров элементов периодических микроструктур относительно размеров наложенной световой области в результате определяющей роли диффузионных процессов кислородного ингибирования;

- Показано, что полимеризация в темных областях периодического поля (образование «мостиков») в результате диффузии фоторадикалов из освещенных областей, подтверждаемой температурной зависимостью процесса, может быть уменьшена при экспонировании при низких температурах и с доступом кислорода;

- Установлены различия в кинетике формирования голографической решетки в нанокомпозитах на основе ZnO и БЮг - зависимости дифракционной эффективности от длительности экспозиции, выражающиеся в количестве, величине и положении максимумов, определяемые особенностями диффузионного массопереноса их компонент; получено экспериментальное подтверждение переноса наночастиц. Показано, что распределение наночастиц, полученное в процессе голографической записи в нанокомпозите на основе 8102 сохраняется при нагреве (до 150°С) и деградирует для нанокомпозита на основе ZnO в результате обратной диффузии наночастиц;

2. Предложен и впервые реализован метод получения полимерных элементов произвольной трехмерной конфигурации, основанный на проекции трехмерного распределения интенсивности излучения, восстановленного голограммой, в объем фотоотвердаемого материала при ограничении глубины отверждения в результате ингибирующего действия кислорода и высокого поглощения излучения в слое.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Результаты работы определили пути управления процессами формирования и свойствами элементов, а также улучшения их характеристик. Определены пути решения основной задачи глубокой литографии — уменьшения размеров элементов и увеличения аспектного отношения, а также решения проблемы близости элементов применительно к методу интерференционной литографии.

Определены условия получения высоких голографических характеристик в акрилатных нанокомпозитах и возможность их использования в качестве голографических материалов с преимуществами по эксплуатационным и экономическим параметрам. Предложен метод получения полимерных элементов произвольной трехмерной конфигурации с преимуществами по трудоемкости процесса.

Результаты диссертационной работы использованы при получении брэгговских структур и фокусирующих элементов для терагерцовой техники, микроструктурных цветоизменяющих элементов с высоким аспектным отношением, голографических дифракционных элементов и элементов, голограммной защиты продукции, голографических элементов для систем навигации, узкополосных фильтров при выполнении хоздоговорных работ с предприятиями ГоЗнак, ЦНИИ «Электроприбор», ГОИ им.С.И.Вавилова.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении проектов в рамках государственных контрактов, грантов РФФИ и Правительства Санкт-Петербурга, аналитических ведомственных программ министерства образования и науки РФ.

Материалы работы используются в учебном процессе кафедры Инженерной Фотоники Университета ИТМО при подготовке студентов по направлению 200600.68.04 «Интегрально- оптические элементы фотоники».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При формировании микроструктуры методом глубокой литографии в периодическом световом поле в объеме фотоотверждаемого акрилатного композита поперечные размеры элементов зависят от расстояния между световыми областями - уменьшаются при увеличении расстояния и могут быть меньше размеров наложенной световой области. Степень уменьшения зависит от соотношения размеров световых областей и расстояний между ними и определяется суперпозицией процессов образования фоторадикалов в световой области и ингибирования фотополимеризации кислородом, диффундирующим из неосвещенных областей.

2. Уменьшение слияния близко расположенных элементов периодических структур при их формировании в фотоотверждаемых акрилатных композитах методом интерференционной литографии, выражающегося в образовании «мостиков» в темных областях интерференционного поля в результате диффузии радикалов из светлых областей, подтверждаемой температурной зависимостью процесса, возможно при экспонировании при низких температурах и с доступом кислорода.

3. Различия кинетики формирования голографической решетки в акрилатных нанокомпозитах на основе ZnO и БЮг - зависимости дифракционной эффективности от длительности экспонирования, выражающиеся в количестве, величине и положении максимумов, определяемые особенностями диффузионного массопереноса их компонент, включая перенос наночастиц, в интерференционном поле: первый максимум обусловлен фотополимеризацией в освещенных областях без участия диффузионных процессов; второй и третий максимумы наблюдаются только в нанокомпозитах с ZnO и связаны с взаимодиффузией компонент композиций.

4. Распределение наночастиц, полученное при засветке периодическим световым полем в нанокомпозите на основе 2пО деградирует при нагреве в результате обратной диффузии. В нанокомпозите с 8102 решетка сохраняется при температурах до 150°С, что позволяет проводить ламинирование голограмм и применять их для целей голограммной защиты продукции.

5. Метод получения полимерных элементов произвольной трехмерной конфигурации, основанный на проекции трехмерного распределения интенсивности излучения, восстановленного голограммой, в объем фотоотвердаемого материала при ограничении глубины отверждения в результате ингибирующего действия кислорода и высокого поглощения излучения в слое.

Достоверность полученных результатов работы и выводов обеспечивается воспроизводимостью полученных данных, физической трактовкой, непротиворечивой с современными научными представлениями, а также с результатами работ других авторов, известными из литературы.

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора. Автор участвовал в постановке задач исследований, в разработке методик и проведении экспериментов, анализе результатов и формировании выводов. Подготовка к публикации научных статей и докладов на конференциях проводилась совместно с научным руководителем и соавторами.

Апробация работы и публикации:

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались в рамках 18 докладов на 15 международных конференциях:

1. Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика», Санкт-Петербург, Россия. 2007, 2009, 2011, 2013;

2. Международная конференция «Электронные процессы в органических материалах», Украина. 2008, 2010;

3. Международный оптический конгресс «Оптика», Санкт-Петербург, Россия. 2008,2010,2012;

4. Международная конференция «Функциональные Материалы» ICFM, Партенит, Украина. 2009, 2011;

5. International conference «MOLMAT», Montpellier, France. 2010;

6. XIII International conference «Physics and technology of thin films and nanosystems», Ivano-Frankivsk, Ukraine. 2011 ;

7. V-Украинской конференции по физике полупроводников (УНКФП-5), Ужгород, Украина. 2011;

8. 5th International Conference «NANOCON 2013», Brno, Czech Republic EU.2013;

пяти Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых (Всероссийский конгресс молодых ученых. Конференция молодых ученых) -Санкт-Петербург, 2005-2011, 2013;

двух Научно и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО - Санкт-Петербург, 2008, 2012;

школе-семинаре «Актуальные проблемы физики и технологий», Санкт-Петербург, Россия. 2009.

Основные результаты диссертационного исследования изложены в 27 печатных работах общим объемом 7,506 п. л., из них:

9 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК и международные базы цитирования Scopus и Web of Science,

2 публикации в иностранных изданиях;

11 статей в сборниках трудов международных и всероссийских конференций;

5 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе дается анализ состояния исследований существующих методов получения малоразмерных и объемных полимерных элементов, используемых материалов и обоснование цели и задач работы. Во второй главе приводятся результаты исследований закономерностей, процессов и механизмов формирования периодических структур в микрообъеме фотоотверждаемых акрилатных композитов методом глубокой литографии. В третьей главе рассмотрены процессы и механизмы формирования периодических структур в интерференционном световом поле методами интерференционной литографии с удалением неполимеризованной фазы и голографической записи в результате фотоиндуцированного массопереноса в интерференционном поле. В четвертой главе рассмотрены принципы формирования элементов трехмерной конфигурации при проекции трехмерного распределения интенсивности излучения в объем фотоотверждаемого материала. В заключении приводятся основные результаты работы.

Материалы изложены на 102 страницах, включая 60 рисунков и 10 таблиц. Список литературы составляет 80 наименований.

Диссертационная работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Методы получения малоразмерных и объемных полимерных элементов и используемые материалы

В настоящее время исследования многих ведущих мировых научных центров направлены на разработку методов и технологий получения малоразмерных и объемных полимерных элементов. Актуальность проблемы подтверждается большим количеством публикаций и определяется востребованностью полимерных элементов в различных областях науки и техники: электроника, связь, микромеханика, медицина, биология, информационная и лазерная техника, химия, приборостроение. Полимерные элементы могут использоваться в качестве элементов различных приборов и систем - элементов фотоники и интегральной оптики, биочипов, катализаторов, элементов MEMS и MOEMS, элементов жидкокристаллических мониторов, а также в защитных технологиях [1-3]. Примеры полимерных элементов представлены на рисунке 1.

а б в

Рисунок 1 - Примеры объемных полимерных элементов, а - полимерный

микрочип для хроматографии [7], б - форма для крепления элемента головки

считывания информации на жестких дисках [11], в - зонная пластинка

Френеля [12]

В качестве методов получения малоразмерных и объемных элементов широкое распространение получили методы глубокой литографии [4], стереолитографии [5], электронно-лучевая литография [6], процесс LIGA (рентгеновская литография) [7-10].

Прогресс полимерных технологий, в том числе, технологий объемной литографии, в значительной степени определяется характеристиками и свойствами материалов. Для получения полимерных структур используются различные типы фоторезистов: позитивный фоторезист AZ 4562 [11], AZ 1518 [13], резист AZ4620 [14], AZ-5214-E [15], фоторезист FH-6400 [16]. На таких материалах формируются тонкие слои с толщиной от 200 нм до единиц микрометров [13]. Интенсивное развитие полимерных 3-D технологий в последние годы связано с появлением нового типа фоторезистов - прозрачного негативного фоторезиста SU-8 [10,17-19]. Фоторезист представляет собой раствор полимера со светочувствительными добавками в органическом растворителе, что позволяет наносить на центрифуге слои с толщиной несколько микрон, из которых растворитель выходит достаточно быстро. При увеличении толщины удаление растворителя затруднено его медленной диффузией через слой полимера и возможно только при высокотемпературной обработке. Эффекты, связанные с выходом растворителя из полимерного слоя, снижают качество получаемых элементов. На рисунке 2 показаны структуры с дефектами, связанными с высоким содержанием растворителя в слое.

а б в

Рисунок 2 - Вид структур, полученных на фоторезисте 811-8 с дефектами,

связанными с присутствием остаточного растворителя [22-24]

Следовательно, для получения полимерных элементов методами литографии преимущества имеют материалы, в которых отсутствует растворитель [20-21].

Среди многообразия востребованных конфигураций особое место занимают периодические структуры. Элементы периодической конфигурации находят применение в качестве селектирующих элементов, элементов управления световыми пучками, в том числе, в волоконных линиях связи, фотонных кристаллов, брэгговских структур, микрорезонаторов лазеров. Объемные периодические структуры получают методами глубокой литографии, стереолитографии при прописывании структуры в жидкой фотоотверждаемой композиции сфокусированным лазерным пучком, лазерной абляции. Одним из наиболее технически простых методов получения малоразмерных периодических структур является метод лазерной интерференционной литографии или голографической литографии. Интерференционный метод позволяет получать структуры с периодом соизмеримым с длиной волны записывающего излучения. В большом числе публикаций [25-35] рассмотрены различные способы получения периодических структур, конфигурации, размерные характеристики.

в г

Рисунок 3 - Примеры структур фотонных кристаллов, а - одномерная

структура [27], б - двумерная гексагональная структура [31], в, г - объемная

периодическая структура [34, 35]

Основными тенденциями являются уменьшение размеров элементов и получение микро- и наноразмерных структур, а также получение трехмерных (объемных) структур. Основным используемым материалом для интерференционной литографии является фоторезист 8И-8 [10,17-19, 22-24,31].

Для голографической записи широко используются фотополимеры. Интерес к таким средам для практических применений, в том числе, к материалам с радикальным механизмом полимеризации связан с тем, что запись информации происходит в результате только экспонирования или требуются относительно простые процессы последующей обработки. Состояние исследований процессов формирования структур в таких материалах отражено в работе [30]. Впервые фотополимеры, как материалы для голографической записи, были рассмотрены в работе [36]. В первых работах исследовалась запись в композициях на основе специально синтезированных компонент [37, 38]. Основными компонентами фотополимеров являются мономеры и фотоинициирующие системы. Модель формирования голографической решетки (рисунок 4) в таких фотополимерах основана на конверсии мономера в полимер (полимеризации), приводящей к диффузионному массопереносу мономера в объеме материала вследствие градиента концентраций [30].

о

о

о о

о

о

о

(а)

о о

О о

о

О о О о

о

(Ь)

о Monomer с Polymer

(с)

X

Рисунок 4 - Модель формирования голографической решетки [30]

При экспонировании синусоидальным распределением интенсивности излучения, формируемом в результате интерференции двух плоских волн, в максимумах интенсивности происходит фотополимеризация. Мономер

расходуется в этой области в процессе фотополимеризации и, в результате, создается градиент концентраций мономера. Избыточный мономер в менее освещенной области начинает диффундировать в освещенную область, чтобы устранить градиент концентраций. В конце процесса весь мономер конвертируется в полимер, создавая изменение диэлектрической проницаемости материала пропорциональное распределению концентраций мономера. Первоначально предполагалась линейная зависимость между распределением мономера и модуляцией показателя преломления. Позднее было установлено, что механизм формирования решетки и модуляции показателя преломления более сложный. Модели формирования решетки, модуляции показателя преломления и факторы, определяющие дифракционную эффективность, рассмотрены в большом числе публикаций. Из работы [39] следует, что максимальная дифракционная эффективность фотополимеров является функцией периода решетки, то есть, пространственной частоты. В работе [40] показано, что изменение дифракционной эффективности фазовой решетки во времени связано с двумя типам решеток модуляции показателя преломления. Первый тип формируется в результате модуляции концентрации мономера, а второй -плотности фотополимера, образованного в результате полимеризации. В ряде работ рассмотрены процессы формирования решетки в глубине слоя. В работе [41] установлено уменьшение эффективной толщины решетки при уменьшении экспозиции.

В работе [42] рассматривается связь диффузионных процессов с толщиной слоя. В работах [43, 44] рассмотрены особенности процессов в толстослойных материалах (с толщиной до 500 мкм). Важным фактором, определяющим характеристики структур, является усадка слоев в результате образования свободного объема. Процессы, связанные с усадкой рассмотрены в работах [4547]. В работах [48, 49] рассмотрена роль кислородного ингибирования полимеризации в процессе формировании голографической решетки. В работе [50] рассмотрены процессы, связанные с длиной полимерной цепи и их влияние на пространственно-частотный отклик фотополимерного материала. Не смотря на

большой объем исследований мономерных систем лишь немногие коммерчески доступны [51].

Таким образом, механизм формирования структур в фотополимерных материалах с радикальной полимеризацией достаточно сложен и определяется множеством факторов. В большинстве работ рассматриваются процессы формирования структур с учетом одного или немногих факторов.

В последние годы предметом широких научных исследований являются гибридные нанокомпозиционные материалы — системы на основе наночастиц, внедренных в полимерную матрицу. Интерес к таким системам связан с тем, что они сочетают преимущества полимерных сред со свойствами внедренных в них наночастиц. Особые свойства нанокомпозитов, определяеются как свойствами наночастиц, так и взаимодействием наночастиц с полимерной матрицей [52,53]. Большое отличие показателя преломления материала наночастиц от показателя преломления полимера, а также и их малый размер позволяют получать дифракционные структуры с большой амплитудой модуляции показателя преломления и высоким оптическим качеством. Эти особенности определяют интерес к разработке и исследованию новых материалов со свойствами, которые могут изменяться при введении различных наночастиц. В работе [54] изучались нанокомпозиты с введением наночастиц Si02 и ТЮ2. . Авторами работы [51] исследованы процессы голографической записи в композициях на основе наночастиц ТЮ2-А , Zr02-A, Zr02-C, Ti02-C (рутил), Si02, Ren_X green (LaP04: Ce, Tb). В работе [55] рассмотрена динамика изменения показателя преломления при введении наночастиц Zr02 и изменении их концентрации.

Механизмы формирования структур в нанокомпозиционных материалах в интерференционном поле определяются как свойствами композиций, так и характеристиками интерференционного поля. В работе [54] предполагается механизм формирования структур в интерференционном поле, который связывается с возможной диффузией наночастиц из светлых областей в темные (рисунок 5).

ui с

X С

Position

1ШШ

mm I

Рисунок 5 - Механизм формирования структур в нанокомпозитах в интерференционном поле [56]

Процесс формирования структур определяется наряду со свойствами наночастиц характеристиками компонент фотополимеризующихся нанокомпозитов. В работе [52] для получения высокоэффективных структур предложен подход к выбору компонент: предложено использовать смесь двух мономеров, которые полимеризуются независимо, с различной скоростью и образуют полимеры с существенно отличными показателями преломления. В работе также рассмотрен механизм формирования решетки. Отмечается, что при экспонировании в интерференционном поле в максимумах интенсивности инициируется химическая реакция полимеризации более реакционноспособного мономера. Это нарушает термодинамическое равновесие системы и приводит к диффузионному переносу более реакционноспособного мономера в освещенные области, а менее реакционноспособного в неосвещенные. В результате разделения компонент и полной полимеризации обоих мономеров образуется фазовая структура с пространственно промодулированным составом. Модуляция показателя преломления в такой структуре определяется разностью показателей преломления двух образованных полимеров и степенью разделения компонент. Увеличение различий в скоростях полимеризации мономеров способствует их перераспределению в интерференционном поле. В работе показано также, что

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Булгакова, Вера Геннадьевна, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Gokdel Y.D., Sevim А.О., Mutlu S., Yalcinkaya A.D. Polymer-MEMS-Based Optoelectronic Display // IEEE Transactions on Electron Devices.— 2010.— V.57( 1).— P. 145-152.

2. Romanato F., Businaro L., Tormen M., Perennes F., Matteucci M., Marmiroli В., Balsev S., Di Fabrizio E. Fabrication of 3D micro and nanostructures for MEMS and MOEMS: an approach based on combined lithographies // Journal of Physics: Conference series International MEMS conference.— 2006. —V.34. —P.904-911.

3. Hierold C. From micro- to nanosystems: mechanical sensors go nano // Journal of micromechanics and microengineering. — 2004. - V. 14. - P. 1-11.

4. Dou X., Wang A. X., Lin X., Chen R. T. Photolithography-free polymer optical waveguide arrays for optical backplane bus //Optics express.— 2011.—V.19, No. 15.-14403-14410.

5. Kanamori Y., Sato J., Shimano Т., Nakamura S., Hane K. Polymer microstructure generated by laser stereo-lithography and its transfer to silicon substrate using reactive ion etching // Microsystem technologies. - 2007. - V. 13. - P. 1411-1416.

6. Wu C.-S., Lin C.-F., Lin H.-Y., Lee C.-L., Che C.-D. Polymer-based photonic crystals fabricated with single-step electron-beam lithography // Advanced Materials. - 2007. -№ 19. - P. 3052-3056.

7. Liu Xi., Brenner K.-H. Guide structures for spicing single-mode fibres fabricated using deep lithography // Fibre optics. - 2009. - V.3. - P.52-54.

8. Munnik F., Benninger F., Mikhailov S., Bertsch A., Renaud P., Lorenz H., Gmur M. High aspect ratio, 3D structuring of photoresist materials by ion beam LIGA // Microelectronic Engineering. - 2003. -V.67-68. - P.96-103.

9. Федеральный интернет-портал Нанотехнологии и наноматериалы, рентгенолитография. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.portalnano.ru/read/tezaurus/en/x-rav lithography, свободный.

10. Bogdanov A. L., Peredkov S.S. Use of SU-8 photoresist for very high aspect ratio x-ray lithography // Proceedings of Micro-, Nano-engineering'99, Rome. -1999.-4 p.

11. Loechel B. Thick-layer resists for surface micromachining. // J. Micromech. Microeng.. - 2000. - V.10(2).-P. 108-115.

12. Аристов В.В. Современная рентгеновская оптика высокого разрешения // Вестник Российской академии наук. - 2002. - Т. 72, № 11. - С. 963968.

13. Wang Y., M'onch W., Aatz В., Zappe H. Tunable photonic crystals on a freestanding polymer membrane // Journal of micromechanics and microengineering. -2010. - V. 20, № 015003. - P. 1-6.

14. Chen J., Jiang W., Chen X., Wang L., Zhang S., Chenb R.T. Holographic three-dimensional polymeric photonic crystals operating in the 1550 nm window // Applied physics letters. - 2007. - V. 90, № 093102 - P. 1-3.

15. Jang J.-H., Ullal C., Kgorishnyy T.,. Tsukruk V.V, Thomas E.L. Mechanically Tunable Three-Dimensional Elastomeric Network/Air Structures via Interference Lithography // Nano Letters. - 2006. - V. 6. - P. 740-743.

16. Yang Y.-L., Hsu C.-C., Chang T.-L., Kuo L.-S., Chen P.-H. Study on wetting properties of periodical nanopatterns by a combinative technique of photolithography and laser interference lithography // Applied Surface Science. - 2010. - V. 256, № 3683-3687. - P. 1-3.

17. Wu D., Fang N., Sun C., Zhang X. Stiction problems in releasing of 3D microstructures and its solution // Sensors and actuators A. - 2006. -V.128. - P. 109115.

18. Ramanan V., Nelson E., Brzezinski A., Braun P. V., Wiltzius P. Three dimensional silicon-air photonic crystals with controlled defects using interference lithography // Applied physics letters. - 2008. - V. 92, № 173304. - P. 1-3.

19. Figura D. and Bartel J. Fabrication of High Aspect Ratio SU-8 Structures Using UV Lithography and Megasonic-Enhanced Development // ECS Transactions. -2010.-V.25 (31).-P. 29-35.

20. Andrzejewska E. Photopolymerization kinetics of multifunctional monomers // Prog. Polym. Sci. - 2001. -V. 26 . - P. 605-665.

21. Смирнова T.B., Бурункова Ю.Э., Денисюк И.Ю. Измерение усадок УФ-отверждаемых композиций на основе акрилатов и диакрилатов // Оптический журнал. - 2006. - Т .73, № 5. - С. 57-61.

22. Liu G., Tian Y., Kan Y. Fabrication of high-aspect-ratio microstructures using SU8 photoresist. // Microsystem Technologies. - 2005. - V.l 1. - P.343-346.

23. Zhong Y., Zhou J., Wong K. S. Two-photon fabrication of photonic crystals by single-beam laser holographic lithography // Journal of Applied physics. -2010. -V. 107,№074311.-P.l-3.

24. Becnel C. Ultra deep SU-8 manufacturing and characterization for MEMS applications// A Thesis Requirements for the degree of Master of Science in Mechanical Engineering, Louisiana State University. — 2004. - 74 p.

25. van Wolferen H. and AbelmannL. Chapter 5. Laser interference lithography. In Lithography: Principles, Processes and Materials // Nova Science Publishers, Inc .Editor: Theodore C. Hennessy-2011. - P.133-148.

26. Mok P.J., Leung W., Constant K., Kim T.-G. and Ho K.-M.. Laser Interference Lithography and Shadow Lithography for Fabricating Nanowires and Nanoribbons, Nanowires // Implementations and Applications, Dr. Abbass Hashim (Ed.).-2011. -p.471-485.

27. Mehrotra P., Mack C.A. and Blaikie R.J. A detailed study of resonance-assisted evanescent interference lithography to create high aspect ratio, super-resolved structures// Optics express.— 2013.— V. 21, No. 11.—13712.

28. Pen E.F., Shatalov I.G. Simulation of the spatial pattern and band-gap structure of holographic photonic crystals // Optical Memeory and neural network.-2009. - V.18, №1. -P. 29-33.

29. Goldenberg L.M., Gritsai Y., Sakhno O., Kulikovska O., Stumpe J. All-optical fabrication of 2D and 3D photonic structures using a single polymer phase mask //Journal of optics. - 2010. - V. 12. - P.7.

30. Gleeson M. R., Sheridan J. T. A review of the modelling of free-radical photopolymerization in the formation of holographic gratings // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. -2009. -V. 11. - № 024008.

31. Lai N.D., Lin J.H.,. Do D. B, Liang W.P., Huang Y.D., Zheng T.S., Huang Y.Y., Hsu C.C. Fabrication of Two- and Three-Dimensional Photonic Crystals and Photonic Quasi-Crystals by Interference Technique// Holography, Research and Technologies, Prof. Joseph Rosen (Ed.).- 2011. - P. 253-279.

32. Tomita Y., Furushima K., Endoh Y., Hidaka M., Ohmori K., and Chikama K.Volume holographic recording in multi-compponent photopolymers with hyperbranched polymers as organic nanoparticles // Proc. SPIE.-2006.-№ 6187-P.618702-1-618702-10.

33. Shen X.X., Yu X.Q., Yang X.L., Cai L.Z., Wang Y.R., Dong G.Y., Meng X.F., Xu X.F. Fabrication of periodic microstructures by holographic photopolimerization with a low-power continuous-wave laser of 532nm // J.Opt.A: Pure Appl. Opt. - 2006. -V. 8. - P. 672-676.

34. Lai N.D., Zheng T.S., Do D.B., Lin J.H., Hsu C.C. Fabrication of desired three-dimensional structures by holographic assembly technique // Applied Physics A Material science and processing. - 2010. -№100. - P. 171-175.

35. V. Miklyaev, V.S. Pavelyev, G.D. Malchikov, Fabrication of three-dimensional metallodielectric photonic crystals by interference lithography// Proceedings of SPIE. - 2010. - V. 7713. - 77131 J.

36. Close D.H., Jacobson A.D., Magerum R.C., Brault R.G. and McClung F.J. Hologram recording on photopolymer materials // Appl. Phys. Lett.— 1969.—V. 14,—P. 159-60.

37. Chang Y.M., Yoon S.C., Han M. Photopolymerization of aromatic acrylate containing phosphine oxide backbone and its application to holographic recording // Optical Materials.— 2007.— V. 30.— P. 662-668.

38. Lee H.-J., Sarwade B. D., Park J., Kim E. Synthesis of new photopolymeric methacrylate thioester with s-triazine ring for holographic recording // Optical Materials.— 2007.— V. 30.— P. 637-644.

39. Piazzolla S. and Jenkins B.K. Holographic grating formation in photopolymers // Opt. Lett.— 1996 — V. 21— P. 1075-1077.

40. Kwon JH., Hwang H.C. and Woo K.C. Analysis of temporal behavior of beams diffracted by volume gratings formed in photopolymers // J. Opt. Soc. Am.— 1999.—V. 16.—P. 1651-1657.

41. Gallego S., Ortuno M., Neipp C., Marquez A., Belendez A., Fernandez E. and Pascual I. 3-dimensional characterization of thick grating formation in PVA/AA based photopolymer // Opt. Express.— 2006.— V. 14.— P. 5121-5128.

42. Neipp C., Gallego S., Ortuno M., Marquez A., Belendez A. and Pascual I. Characterization of a PVA/acrylamide photopolymer. Influence of a cross-linking monomer in the final characteristics of the hologram // Opt. Commun.— 2003.— V. 224.—P. 27-34.

43. Gallego S., Ortuno M., Neipp C., Marquez A., Belendez A., Pascual I., Kelly J. V. and Sheridan J. T. Physical and effective optical thickness of holographic diffraction gratings recorded in photopolymers // Opt. Express.— 2005.—V.13.— P. 1939-1947.

44. Gallego S., Ortuno M., Pascual I., Neipp C., Marquez A. and Belendez A. Analysis of second and third diffracted orders in volume diffraction gratings recorded on photopolymers // Phys. Scr.— 2005.—V. 118.— P. 58-60.

45. Sutherland R.L., Tondiglia V.P., Natarajan L.V. and Bunning T.J. Phenomenological model of anisotropic volume hologram formation in liquid-crystal-photopolymer mixtures // J. Appl. Phys.— 2004.— V. 96 — P. 951-965.

46. Liu G.-D., He Q.-S., Luo S.-J., Wu M.-X., Jin G.-F., Shi M.-Q., Wu F.-P. Epoxy Resin - Photopolymer Composite with None - Shrinkage for Volume Holography // Chin. Phys. Lett.—2003.—V. 20, № 10.—P. 1733-1735.

47. Gallo J.T. and Verber C.M. Model for the effects of material shrinkage on volume holograms // Applied Optics — 1994.— V. 33, № 29 — P. 6797-6804.

48. Gleeson M.R., Kelly J.V., Close C.E., O'Neill F.T. and Sheridan J.T. Effects of absorption and inhibition during grating formation in photopolymer materials // J. Opt. Soc. Am.— 2006.— V. 23.—P. 2079-2088.

49. Gleeson M.R., Kelly J.V., Sabol D., Close C.E., Liu S. and Sheridan J.T. Modelling the photochemical effects present during holographic grating formation in photopolymer materials // J. Appl. Phys.— 2007.— V. 102.—P. 1063-1072.

50. Gleeson M.R., Sabol D., Liu S., Close C.E., Kelly J.V. and Sheridan J.T. Improvement of the spatial frequency response of photopolymer materials by modifying polymer chain length // J. Opt. Soc. Am.— 2008.— V. 25—P. 396^06.

51. Trout T.J., Schmieg J.J., Gambogi W.J., and Weber A.M. Optical Photopolymers: Design and Applications //Adv. Mater.— 1998.— V. 10, № 15.—P. 1219-1224.

52. Смирнова Т. H., Кохтич JI. М., Сахно О. В., Штумпе И. Топографические нанокомпозиты для записи периодических структур полимер — наночастицы. I. Общий подход к выбору компонент нанокомпозитов и их голографические свойства // Оптика и Спектроскопия.— 2011.— т. 110, № 1.—С. 135-142.

53. Smirnova T.N., Sakhno O.V., Stumpe J., Kzianzou V., Schrader S. Distributed feedback lasing in dye-doped nanocomposite holographic transmission gratings //Journal of Optics — 2011.— V. 13— P. 709-714.

54. Tomita Y. and Suzuki N. Holographic manipulation of nanoparticle distribution morphology in nanoparticle-dispersed photopolymers // Optics letters.— 2005.—V. 30, № 8.— P. 839-841.

55. Nakamura Т., Nozaki J., Tomita Y., Ohmori K. and Hidaka M. Holographic recording sensitivity enhancement of Zr02 nanoparticle-polymer composites by hydrogen donor and acceptor agents // J. Opt. A: Pure Appl. Opt.— 2009.—V. 11.—P. 7-14.

56. Abigail T.J. Interference Lithography for Optical Devices and Coatings // PhD dissertation. Urbana, Illinois.— 2010 — 123 p.

57. Смирнова Т. H., Кохтич Л. М., Сахно О. В., Штумпе И. Голографические нанокомпозиты для записи периодических структур полимер — наночастицы. II. Механизм образования объемной периодической структуры

полимер - НЧ и влияние параметров формирующего поля на эффективность // Оптика и Спектроскопия.— 2011.— т. 110, № 1.— С. 143-150.

58. Фокина М.И., Денисюк И.Ю. Формирование решеток микролинз методом дозированной фотополимеризации УФ-отверждаемых оптических композитов // Оптический журнал. - 2006. —№ 11. - С. 90-96.

59. M I. Fokina, N. О. Sobeshuk I. Y Denisyuk Polymeric microelement on the top of the fiber formation and optical loss in this element analysis // Natural science.— 2010.—Vol.2, No.8.— P.868-872.

60. Бурункова Ю.Э., Денисюк И.Ю., Семьина C.A. Механизм структурной самоорганизации наночастиц ZnO в акрилатных композитах // Оптический журнал.—2013.— № 3.— С. 79-86.

61. Бурункова Ю.Э., Семьина С.А., Капорский JI.H., Левичев В.В. Наномодифицированные оптические акрилатные композиты // Оптический журнал. - 2008. - Т.75. № 10. - С.54-58.

62. Денисюк И.Ю., Бурункова Ю.Э., Семьина С.А. Исследование влияния наночастиц Si02 на самоорганизацию акрилатных композитов, отверждаемых ультрафиолетовым излучением //Оптический журнал.—2012.— т.79, №2.—С. 67-71.

63. Спектры инициаторов. Sigma-aldrich. Applications free radical initiators [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sigmaaldrich.com/img/assets/3900/Photoinitiators.pdf. свободный.

64. Спектры инициаторов Irgacure [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://people.rit.edu/deeemc/reference 13/Imprint/Photoinitiators%20for%20UV%20cu ring.pdf, свободный.

65. Ворзобова Н.Д., Булгакова В.Г., Бурункова Ю.Э. Размерные характеристики полимерных микроструктур при УФ-отверждении нанокомпозита // Оптический журнал. - 2010. - Т.77;№10. - С.72-77.

66. Денисюк И.Ю., Бурункова Ю.Э., Фокина М.И., Ворзобова Н.Д., Булгакова В.Г. Формирование микроструктур с высоким форматным отношением

в результате самофокусировки света в фотополимерном нанокомпозите // Оптический журнал. - 2008. - Т.75. № 10. - С. 59-65.

67. Смирнова Т.В., Бурункова Ю.Э., Денисюк И.Ю. Измерение усадок УФ-отверждаемых композиций на основе акрилатов и диакрилатов// Оптический журнал. —2006.—№ 5 — С. 57-61.

68. Gleeson M.R., Guo J. and Sheridan J.T. Photopolymers for Use as Holographic Media// New Polymers for Special Applications, Dr. Ailton De Souza Gomes (Ed.).—2012.

69. Булгакова В.Г., Бурункова Ю.Э., Ворзобова Н.Д. Особенности формирования микроструктур с высоким форматным отношением при фотоотверждении полимера // Научно-технический Вестник СПб ГУ ИТМО. -2008. - Вып 52. - С.32-37.

70. Denisyuk I.Yu., Fokina M.I., Vorzobova N.D., Burunkova Yu.E., Bulgakova V.G. Microelements with high aspect ratio prepared by self-focusing of the light at UV-curing // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2008. - V. 497. - P.228-235.

71. Булгакова В.Г., Ворзобова Н.Д. Закономерности, методы и технологии формирования объемных микроструктур в фотополимерных нанокомпозиционных материалах // Научно-технический Вестник СПб ГУ ИТМО. - 2009. - Вып.63, №5. - С. 74-80.

72. Takada К., Kaneko К., Li Y.D., Kawata S., Chen Q.D., Sun H.B. Temperature effects on pinpoint photopolymerization and polymerized microstructures // Appl. Phys. Lett.— 2008. —V. 92.№ 041902.— P. 1-3.

73. Kogelnik H. Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings // Bell Syst. Tech. J.— 1969.— V. 48.— P. 2909-2945.

74. Сахно O.B., Тихонов E.A. Влияние изменений оптической толщины регистрирующего фотополимерного материала на голографическую запись// журнал технической физики.— 1991.—т. 61, № 10.— С. 105-113.

75. Денисюк И.Ю., Тибилов А.С., Семьина С.А., Булгакова В.Г., Бурункова Ю.Э. Оптический узкополосный фильтр на основе брэгговской решетки, записанной в полимер-наполненном микроканальном волноводе

//Оптический журнал.—2013.—№3.—С. 87-91.

76. Ворзобова Н.Д., Бурункова Ю.Э., Булгакова В.Г., Денисюк И.Ю., Калинина Н.М. Получение полимерных периодических струткур в УФ-отверждаемых композиционных материалах методом лазерной интерференционной литографии // Известия высших учебных заведений. Приборостроение.—2011.—Т.54, №12.—С.62-67.

77. N.D. Vorzobova, V.G. Bulgakova, Yu.E. Burunkova, A.I. Moskalenko The process of periodic structures fabrication in photocurable composite materials. // Physics and Chemistry of Solid State—2012.—V. 13, № 1.—P. 265-268.

78. Burunkova J.A., Denisyuk I.Yu., Bulgakova V.G., Kokenyesi S. Ti02-Acrylate Nanocomposites Elaborated by UV-Curing with Tunable Properties // Solid State Phenomena — 2013.— Vol. 200 — P. 173-177.

79. Denisyuk I. Yu., Burunkova J. A., Kokenyesi S., Bulgakova V. G., Fokina M. I. Optical nanocomposites based on high nanoparticles concentration and its holographic application// Nanocrystals, Sudheer Neralla (Ed.), InTech Europe, Croatia,—2012.—P. 81-102.

80. Ворзобова Н.Д., Булгакова В.Г., Денисюк И.Ю., Ю.Э. Бурункова, Москаленко А.И., Павловец И.М. Процессы получения полимерных структур в фотоотверждаемых материалах методами интерференционной и голографической литографии.// VII международный оптический конгресс «Оптика -XXI век», XII Международная конференция «Прикладная оптика-2012», 15-19 октября 2012, с. —2012.—С.179-183.