AFM:ポリマー表面改質

アプリケーションノート

バックグラウンド

ポリマー 特にますます広範囲の用途で使用されている。 医療機器産業。 ポリマーを理解することが重要です 表面特性 ポリマーとその環境との間の多くの重要な相互作用が表面で起こるからです。 例えば、医療機器に使用されるポリマーの表面は、身体と機器との間の界面であることが多い。 ポリマーの表面特性を制御することによって、医療機器設計者は、機器に対する身体の様々な反応を促進または抑制することができる。 ポリマーとその環境との間の相互作用は、大部分は表面組成および構造に依存する。 スプレー、真空蒸着、および化学的またはプラズマエッチングなどの処理は、他の所望の表面特性およびトポグラフィーを生み出すために開発されてきた。

表面組成およびトポグラフィーはポリマーの性能において非常に大きな役割を果たすので、正確な表面キャラクタリゼーションは新しい材料の迅速な展開または既存の材料における問題および挙動の理解において重要な部分となり得る。 原子間力顕微鏡(AFM)高解像度のサーフェスマッピング機能を備えていることが、この特性評価の重要な要素となります。

ひずみとプラズマエッチングの表面効果

ここに提示された画像は、医療機器包装に使用されるエチレンビニルアセテートフィルムに対する歪みおよび酸素プラズマエッチングの効果を実証する。 最初の画像、図1は、受け取ったままの表面の4μm位相画像を示しています。 位相画像を作成するために、カンチレバーをその共振周波数付近で振動させ、カンチレバーとその駆動力との間の位相遅れを、試料上の横方向のカンチレバー位置の関数としてプロットする。 位相遅れは、トポグラフィだけでなく、サンプル表面の物理的特性の違いにも影響される可能性があります。 AFM位相像はポリマー表面の詳細図を提供する。 位相画像における明確な特徴は、表面にわずかに異なる配向で現れるポリマーラメラの結果であろう。

原子間力顕微鏡(AFM)、ポリマー表面データ、入手時の状態

図1受け取ったままの面

2番目の画像(図2)は、サンプルが破断点まで歪んでから応力が解放された後の同じサンプルの異なる領域の5μm位相画像です。

原子間力顕微鏡(AFM)、ポリマー表面、歪み

図2ひずみ

歪みの方向は、画像の上から下に向かっています。 明らかに、表面は加えられた応力によって修正されています。 このような形態情報を詳細な化学分析と組み合わせる (例:XPS or TOF-SIMS このサンプルの動作に関する貴重な情報を提供します。 これらの画像のいずれもいかなる種類のサンプル調製も必要としなかったので、結果は調製プロセス中に生成され得るアーティファクトによって影響されない。

サンプル履歴

ポリマー表面サンプルの履歴は、その挙動と性能に重要な影響を及ぼす可能性があります。 図XNUMXおよびXNUMXに示される画像を取得した後、サンプルを3つの異なる時間間隔で酸素プラズマ中でエッチングした:XNUMX秒、XNUMX分およびXNUMX分。 図XNUMXおよびXNUMXは、プラズマエッチングのXNUMX分の効果を示す。 歪み表面構造が無歪み表面よりはるかに大きな程度に影響を受けたことは明らかである。

歪んでいないポリマー表面改質の原子間力顕微鏡(AFM)エッチング3分

図3歪んでいない、エッチングされた3分

表面ポリマーの原子間力顕微鏡(AFM)で、歪みを加えた後、エッチングした。

図4ひずみ、その後エッチング3分

定量分析: 表面粗さとPSDプロット

ポリマーの表面を視覚化することができること自体は有用であるが、実際には物理的特性を定量化する能力がいくつかの場合において重要であり得る。 ポリマー表面粗さは、AFMデータから測定する明らかなパラメータです。 しかしながら、試料表面の粗さ値は有用であり得るが、それはまた誤解を招く可能性がある。 2つのサーフェスは同じ二乗平均平方根(RMS)粗さを持つことができますが、非常に異なるトポグラフィを持ちます。 表面のパワースペクトル密度(PSD)プロットは、表面の質感を理解し、特徴付けるのにもっと効果的なツールです。 PSDは、本質的には表面形状のフーリエ変換であり、表面上の特徴サイズの分布を示す。 表面のパワースペクトル密度(PSD)プロットは、その表面の周期構造をはっきりと明らかにすることができます。 RMS粗さ値は、関心のあるある周波数区間にわたってPSDの積分の平方根をとることによって計算される。 図5は、ひずみエッチング面がエッチング時間の増加によってどのように影響を受けたかを明確に示すPSDプロットです。 PSDは、表面構造の方向性を強調するためにy方向にのみ計算された。 画像から予想されるように、ピークはエッチング時間が増すにつれてより長い波長にシフトし、これは表面の特徴がサイズを増していることを示している。 エッチング時間に伴う表面粗さの増加は、エッチング時間に伴う曲線の垂直位置の増加によって実証されている。

PSDプロットの原子間力顕微鏡(AFM)データ

図5歪んでいない、エッチングされた1分

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