基于原子力顯微分析技術(shù)研究全息光柵結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

雷 敏，羅 云

（華中科技大學(xué) 生命科學(xué)研究共享平臺(tái)，湖北 武漢 430074）

全息聚合物復(fù)合材料是可光聚合的單體與惰性組分（如液晶、納米粒子、離子液體等）在相干激光輻照下通過(guò)原位光聚合誘導(dǎo)相分離原理制備的結(jié)構(gòu)有序復(fù)合材料[1-5]。該類(lèi)復(fù)合材料在裸眼三維顯示[6-7]、調(diào)制激光[8-9]、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[10]、溫/濕度傳感[11-12]、溶劑檢測(cè)[13-14]、各向異性導(dǎo)電[2,15-16]等前沿領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。該類(lèi)復(fù)合材料的關(guān)鍵性能參數(shù)是衍射效率。為表征全息聚合物復(fù)合材料的衍射效率，通常將其制備成具有一維周期性結(jié)構(gòu)的全息光柵[1-3]。當(dāng)檢測(cè)光（通常為633 nm）從布拉格角方向照射全息光柵時(shí)，在全息光柵的另外一側(cè)會(huì)同時(shí)觀察到衍射光和透射光。衍射效率定義為衍射光強(qiáng)與衍射和透射總光強(qiáng)的比值[3]。衍射效率越高，表明全息聚合物復(fù)合材料的性能越好。

闡明材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系對(duì)優(yōu)化材料性能非常必要。全息聚合物復(fù)合材料是原位形成的，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處于亞微米及納米尺度，但微觀形貌復(fù)雜，導(dǎo)致精確構(gòu)建結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系仍存在挑戰(zhàn)。雖然已有文獻(xiàn)采用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）表征了全息光柵的微觀結(jié)構(gòu)[7,17]，但全息光柵微納結(jié)構(gòu)對(duì)衍射效率的影響尚未得到全面闡釋。

本文采用原子力顯微鏡對(duì)全息聚合物復(fù)合材料的光柵微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明：全息光柵溝槽頂部的粗糙度對(duì)光柵衍射效率影響較小，但溝槽底部的粗糙度在高衍射效率時(shí)對(duì)衍射效率影響較大；全息光柵的衍射效率主要取決于光柵的溝槽深度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文使用的全息光柵通過(guò)激光全息光聚合誘導(dǎo)相分離原理制備。在表征前，通過(guò)溶劑將惰性組分清除（該過(guò)程不會(huì)影響聚合物的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)），得到具有溝槽結(jié)構(gòu)的全息光柵。溝槽凸起部分為原位生成的聚合物網(wǎng)絡(luò)，而溝槽凹陷部分代表原始的惰性組分[1]。全息光柵在被溶劑處理之前的衍射效率分別為30%、58%、71%、84%、94%和98%。

1.2 原子力顯微表征

采用德國(guó)Bruker 公司的原子力顯微鏡Multimode 8 進(jìn)行測(cè)試。探針型號(hào) Scananalyst-Air，掃描模式ScanAsyst；掃描速率1 Hz；像素點(diǎn)512×512。對(duì)光柵樣品的表面形貌進(jìn)行測(cè)試，并采用NanoScope Analysis（Version 1.5）軟件分析樣品的光柵周期、溝槽頂部粗糙度、溝槽底部粗糙度及溝槽深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 原子力顯微鏡表征結(jié)果

如圖1 所示，在被溶劑處理后，全息光柵呈現(xiàn)出顯著的溝槽結(jié)構(gòu)。溝槽凸起區(qū)為聚合物，溝槽凹陷區(qū)為原來(lái)的惰性組分。可以看出，衍射效率較低時(shí)，溝槽深度較淺。隨著衍射效率的增加，溝槽深度逐漸增加，表現(xiàn)為在相同視角下Z 軸坐標(biāo)標(biāo)尺變大。光柵溝槽頂部也可以看到明顯的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明存在一定的粗糙度。隨著光柵衍射效率的增加，這種“毛刺”結(jié)構(gòu)有所減少。結(jié)果表明，相分離不僅發(fā)生在內(nèi)部，也發(fā)生在表面。

圖1 不同衍射效率時(shí)全息光柵的3D 原子力顯微鏡照片

2.2 全息光柵結(jié)構(gòu)與衍射效率的關(guān)系

通過(guò)NanoScope Analysis（Version 1.5）軟件分析了全息光柵的微觀形貌。結(jié)果表明，在這批全息光柵中，隨著衍射效率的變化，光柵周期在850～900 nm之間波動(dòng)，差異并不顯著（見(jiàn)圖2）。

分析了不同衍射效率下的溝槽頂部粗糙度、溝槽底部粗糙度和溝槽深度。結(jié)果表明，隨著衍射效率的提高，溝槽頂部的粗糙度變化并不顯著，在2～5 nm之間波動(dòng)（見(jiàn)圖3(a)）；當(dāng)衍射效率低于58%時(shí)，溝槽底部粗糙度不變，約為7 nm；當(dāng)衍射效率進(jìn)一步提高時(shí)，溝槽底部粗糙度增加至20～23 nm（見(jiàn)圖3(b)）。溝槽深度隨著衍射效率的增加逐步從40 nm 增加到120 nm 左右（見(jiàn)圖3(c)）。在衍射效率為71%和84%時(shí)，溝槽深度和底部粗糙度都產(chǎn)生了波動(dòng)，具體原因有待進(jìn)一步分析。總體而言，溝槽深度對(duì)衍射效率的影響更顯著。溝槽深度增加，表明相分離程度提高，則全息光柵的性能總體上得以提升。

圖2 光柵周期與全息光柵衍射效率的關(guān)系

圖3 光柵溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與全息光柵衍射效率的關(guān)系

根據(jù)圖1 可知，衍射效率較低的全息光柵具有更為顯著的“毛刺”結(jié)構(gòu)，表明相分離較差。為更深入理解全息性能與光柵微觀形貌的關(guān)系，將粗糙度/溝槽深度比對(duì)衍射效率作圖（見(jiàn)圖4）。從圖中可以看出，溝槽底部粗糙度/溝槽深度比在不同衍射效率時(shí)波動(dòng)較大，但頂部粗糙度/溝槽深度比與衍射效率存在一定的相關(guān)性。當(dāng)頂部粗糙度/溝槽深度比較高（＞0.09）時(shí)，全息光柵的衍射效率較低（＜60%）；當(dāng)該比值低于0.04時(shí)，全息光柵具有較高的衍射效率（＞80%）。

圖4 粗糙度/溝槽深度比與全息光柵衍射效率的關(guān)系

4 結(jié)論

全息光柵的衍射效率依賴(lài)于其微納結(jié)構(gòu)的有序度。相分離程度較低時(shí)，全息光柵頂部有更多“毛刺”結(jié)構(gòu)。光柵底部粗糙度在衍射效率較低（＜60%）時(shí)未隨衍射效率增加而變化，但在高衍射效率時(shí)有明顯增加。隨著衍射效率的增加，溝槽深度總體上顯著增加。與溝槽深度相比，頂部粗糙度/溝槽深度比更能體現(xiàn)衍射效率與光柵微觀形貌的相關(guān)性。當(dāng)該比值高于0.09 時(shí)，全息光柵衍射效率較低（＜60%）；而當(dāng)該比值低于0.04時(shí)，全息光柵的衍射效率較高（＞80%）。需要指出的是，衍射效率高于80%時(shí)，隨著衍射效率的增加，頂部粗糙度/溝槽深度比略有增加，這可能是正常的波動(dòng)。后續(xù)工作需對(duì)更多全息光柵進(jìn)行分析，并進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)，以獲得更明確、定量化的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系。