Polimer yüzeylerinin fonksiyonelleştirilmesi için odaklanmış iyon demeti ile nanoyapılandırma uygulamaları

Abstract

Polimer malzemelerin yapısal özelliklerinin her geçen gün daha da fazla geliştirilmesine bağlı olarak bu malzemelerin günlük hayatımızdaki kullanım alanı hızla yaygınlaşmaktadır. Diğer bir taraftan, nanoteknoloji uygulamalarının bir sonucu olarak, yeni geliştirilen malzemelerin ve yapıların boyutundaki atomik ölçeklere kadar inebilen küçülme, elektron mikroskopisi uygulamalarını bu bilimin ayrılmaz bir parçası haline getirmiştir. Elektron mikroskopisi destekli kontrollü yüzey modifikasyon işlemleri ile malzemenin yüzey özelliklerinin istenilen doğrultuda ayarlanabilmesi, bu malzemelerin belirli bir amaç için kullanılmasını mümkün kılmaktadır. Bu çalışmada temel olarak, kontrollü elektron ve iyon radyasyonunun farklı polimer malzemelerin yüzey özelliklerinin modifiye edilmesi, optimizasyonu ve karakterizasyonunda kullanılması hedeflenmiştir. Özellikle, yüzey modifikasyonu işlemleri, gaz enjeksiyon sistemleri (GIS) eklentili FIB-SEM çift demet platformlarında gaz-yardımlı aşındırma yöntemleri uygulanarak yürütülmüştür. Çalışmanın büyük bir bölümü, polimer yüzeylerinin, XeF₂ gazı yardımıyla aşındırılması sonucunda, minimum yüzey morfolojisi ve yüksek yüzey açısı elde edilmesine odaklanmıştır. Çalışmada, FIB-SEM çift demet platformlarında gerçekleştirilen yüzey modifikasyonu işlemlerinin, malzemelerinin yüzey özelliklerindeki yaptıkları değişimler, diğer ileri analiz teknikleri kullanılarak gözlenmiştir.

Keywords

• FIB,Odaklanmış elektronlar ve iyonlar ile depolama,Fonksiyonel polimer yüzeyler,Yüzey karakterizasyonu,Nanoyapılandırma,Maskesiz litografi

Nanostructuring applications for functionalization of polymer surfaces with focused ion beam

Abstract

Today’s studies cover the use of polymers in a broad range of applications owing to rapid development towards their optimized structural properties. On the other hand, the shrinkage in the dimensions of the novel materials, structures and systems down to atomic scale as an output of nanotechnology has assigned Electron Microscopy as the inseparable part of this field. Controllable surface modification allows tuning of surface properties in intended directions and thus provides the use of the ultimate materials and their systems towards desired and pre-defined concepts. This study mainly focused on investigation, optimization and modification of surface properties of various polymers via the use of electron and ion beam irradiation in a controlled way. In particular, surface modification processes were carried out through gas-assisted etching (GAE) in a FIB-SEM dual-beam instrument equipped with gas injections systems (GIS). The main study concerns XeF₂ assisted etching of polymer surfaces to obtain minimum surface morphology with high surface angles. The alterations in the surface properties provided by surface modification processes performed in FIB-SEM dual-beam platforms were examined using other advanced analysis techniques.

Keywords

• FIB,Focused electron/ion beam induced deposition,Functional polymer surfaces,Surface characterization,Nanostructuring,Maskless lithogarphy

References

1. Giannuzi LA, Stevie FA. Introduction to Focused ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques and Practice. 1st ed. New York, USA, Springer, 2004.
2. Orloff J, Utlaut M, Swanson L. High Resolution Focused İon Beams. 1st ed. New York, USA, Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2002.
3. Mayer J, Giannuzzi LA, Kamino T, Michael J. “TEM sample preparation and FIB-induced damage”. MRS Bulletin, 32, 400-407, 2007.
4. Volkert CA, Minor AM. “Focused Ion Beam microscopy and micromachining”. MRS Bulletin, 32, 389-399, 2007.
5. Sezen M. Nanostructuring and Modification of Conjugated Polymer Based Optoelectronic Device Structures by Focused ion Beam. PhD Thesis, TU Graz, Institute for Electron Micrsocopy, Graz, Austria, 2009.
6. Zheng C. Micro-Nanofabrication: Technologies and Applications. 1st ed. Beijing, China, Higher Education Press, 2005.
7. Sezen M. Modern Electron Microscopy in Physical and Life Sciences; Focused Ion Beams (FIB): Novel Methodologies and Recent Applications for Multidisciplinary Sciences. 1st ed. Rijeka, Croatia, InTech, 2016.
8. Grubb DT. “Radiation damage and electron microscopy of organic polymers”. Journal of Materials Science, 9(10), 1715-1736, 1974.

9. Knystautas EJ. Engineering Thin Films and Nanostructures With ion Beams. 1st ed. FL, USA, CRC, 2005.
10. Svorcik V, Proskova K, Hnatowicz V, Rybka V. “Iodine penetration and doping of ion-modified polyethylen”. Nuclear Instruments and Methods in Physysics Research Section B, 149 (3), 312-318, 1999.
11. Chan CM, Koand TM, Hiraoka H. “Polymer surface modification by plasmas and photons”. Surface Science Reports, 24(1-2), 1-54, 1996.
12. Zhu Q, Han CC. “Synthesis and crystallization behaviors of highly fluorinated aromatic polymers”. Polymer, 48, 3624-3631, 2007.
13. Huzzayin A, Boggs S, Ramprasad R. “Computational quantum mechanics-based study of conduction in iodine doped polyethylene”. Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Virginia Beach, VA, USA, 18-21 Ocober 2009.
14. Sezen M, Bakan F. “Development of functional surfaces on high-density polyethylene (HDPE) via gas-assisted etching (GAE) using Focused ion beams”. Microsc. Microanal, 21 (6), 1379–1386, 2015.
15. Faber E, Vellinga W P, De Hosson J. “FIB-Etching of polymer/metal laminates and its effect on mechanical performance”. Microscopy and Microanalysis, 20 (6), 1826–1834, 2014.
16. Kruse K, Burrell D, Middlebrook C. “Three-dimensional patterning in polymer optical waveguides using focused ion beam milling”. Journal of Micro/Nanolithography MEMS and MOEMS, 15(3), 034505, 2016.