ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ТОНКИХ ПЛЕНОК
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ...
УДК 535.3; 535.4; 535.012.21
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Е.О. Гавриш, В.А. Чуйко
Исследуется возможность создания анизотропной текстуры на гладкой поверхности ориентирующих пленок на основе аморфного углерода (a-C:H) и оксидов индия и олова (ITO) с помощью УФ лазерного излучения. Приводятся результаты исследования с помощью оптической микроскопии поверхности образцов до и после обработки УФ лазерным излучением, а также ориентации жидких кристаллов (ЖК) на обработанной поверхности. Обсуждается влияние условий обработки на текстуру поверхности. Ключевые слова: аморфный углерод, оксид индия и олова, тонкие пленки, УФ излучение, жидкий кристалл.
Введение
Совершенствование методов ориентации нематических ЖК актуально как для развития дисплейных ЖК-технологий [1, 2], так и при разработке активных компонентов телекоммуникационных систем [3]. К бесконтактным способам ориентации жидких кристаллов относятся: обработка поверхности ионными пучками, поляризованным и неполяризованным УФ светом [2, 4]. Эти методы основаны на удалении слоя материала для формирования анизотропной текстуры поверхности ориентирующего слоя, которая обеспечивает при взаимодействии с жидкими кристаллами однонаправленную параллельную ориентацию молекул. Для воздействия неполяризованного УФ света на тонкую углеродную пленку используют излучение мощной ртутной лампы. В качестве источника поляризованного УФ излучения может быть использован лазер. Для формирования направления ориентации на поверхности углеродных конденсатов применяют воздействие неполяризованного и поляризованного УФ излучения [2]. Для создания ориентирующей поверхности можно перед нанесением ориентирующего слоя создать текстуру поверхности электрода, используя для этого бомбардировку пучком ионов [5].
Целью этой работы является исследование возможности формирования анизотропии текстуры поверхности ориентирующих слоев a-C:H, а также предшествующего им электродного слоя на основе ITO с помощью поляризованного УФ излучения для улучшения качества ориентации жидких кристаллов.
Слои ITO получали методом катодного распыления. Ориентирующие слои a-C:H осаждали на стеклянные подложки, покрытые прозрачным проводящим покрытием в плазме тлеющего разряда на постоянном токе из паров ацетона при давлении в вакуумной камере 510–2 Па и ионном токе 1 мА. Слои a-C:H, полученные с помощью CVD-процесса осаждения в плазме, являются гладкими и повторяют рельеф предшествующей поверхности.
Создание анизотропии текстуры поверхности способом обработки УФ излучением аморфной углеродной пленки
Для формирования анизотропии поверхности тонких пленок a-C:H был использован УФ лазер ЛГИ-504А с длительностью импульса 6 нс и длиной волны 0,337 мкм [6]. Плотность мощности УФ излучения варьировали, изменяя напряжение накачки лазера и фокусировку пучка. Текстура поверхности создавалась путем перемещения образца, закрепленного на координатном столике, по двум координатам со скоростью 1,2 мм/с при неподвижном лазерном пучке. В результате такой обработки происходило удаление слоя материала и образование параллельных канавок. Глубину канавки, образующуюся при воздействии лазерного излучения, измеряли при помощи микроинтерферометра МИИ-4. В таблице приведены условия обработки УФ излучением поверхности образцов и глубина канавки, полученная в результате усреднения по трем измерениям каждого образца. Среднеквадратичная ошибка измерений не превышала 10%.
Номер образца
1 2 3 4 5
q, Вт/см2
0,24 0,02 0,03 0,24 0,31
Вид пучка
сфокусированный расфокусированный расфокусированный сфокусированный сфокусированный
Глубина канавки,
мкм
0,64±0,06
0,52±0,04
0,13±0,01
–
–
Ширина канавки,
мкм
27 27 55 13,5 7,4
Скорость стола, мм/с
1,2 1,2 1,2 10 10
Вид поверхности
a-C:H a-C:H a-C:H ITO ITO
Таблица. Условия обработки образцов УФ излучением
26 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 5 (69)
Е.О. Гавриш, В.А. Чуйко
На рис. 1, а, б, приведены фотографии поверхности образцов после обработки их N2-лазером, полученные с помощью микроскопа БИОЛАМ с десятикратным увеличением, оснащенного видеокамерой. Как видно на рис. 1, а, при обработке сфокусированным пучком плотностью мощности 0,24 Вт/см2 образуются глубокие канавки (0,64 мкм). Воздействие расфокусированного пучка (образец № 2) приводило к уменьшению глубины канавки до 0,52 мкм (рис. 1, б). Наименьшая глубина съема материала аморфной углеродной пленки, равная 0,13 мкм, была получена у образца № 3 при обработке расфокусированным пучком плотностью мощности 0,03 Вт/см2. Однако воздействие УФ излучения на a-C:H пленку приводило к удалению не только слоя углерода, но также и поликристаллического электродного слоя под ним.
50 мкм
50 мкм
50 мкм
а бв
Рис. 1. Микрофотографии поверхности образцов, обработанных УФ лазером: а – № 1; б – № 2; в – № 3 (см. таблицу)
Создание анизотропии текстуры поверхности способом обработки УФ излучением ITO слоя
В качестве альтернативного метода был использован способ формирования анизотропии текстуры поверхности ITO слоем, поляризованным УФ излучением, перед осаждением на него слоя a-C:H. Для снижения съема материала была увеличена скорость перемещения координатного столика, на котором закреплялся образец, относительно лазерного пучка в 10 раз. В результате этого значительно уменьшилась ширина канавок (рис. 1, в). Из-за недостаточно высокого разрешения микроинтерферометра глубину канавок в данном способе померить не удалось.
На рис. 2, а, для сравнения приведена микрофотография однородной параллельной ориентации нематического ЖК на поверхности слоя a-C:H, осажденной на подложки, расположенные под углом 20 относительно вертикали [4]. Нанотекстура ориентирующей поверхности в этом случае создавалась перед нанесением пленки a-C:H в результате обработки ее ионами инертного газа Ar, падающими под скользящими углами при наклонном расположении подложек в плазме.
На рис. 2, б, приведена микрофотография ориентации ЖК-1282 (НИОПИК) на поверхности слоя a-C:H, осажденного на подложки, расположенные горизонтально относительно потока в плазме и обработанные затем с помощью УФ лазера. При исследовании ЖК ячеек, собранных из элементов, обработанных УФ излучением, было обнаружено чередование полос с разной ориентацией. На рис. 2, б, можно видеть, что глубокие канавки, образовавшиеся на поверхности в результате воздействия УФ излучения, нарушают однородность параллельной ориентации ЖК. Вдоль канавок молекулы ЖК ориентируются гомеотропно (перпендикулярно поверхности), что свидетельствует об удалении ориентирующего слоя a-C:H.
На рис. 2, в, показана микрофотография однородной параллельной ориентации нематического ЖК при использовании метода осаждения слоя a-C:H на поверхность слоя ITO, обработанного УФ поляризованным излучением. Уменьшение глубины канавок при таком способе создания ориентирующей поверхности привело к улучшению качества ориентации.
50 мкм
50 мкм
50 мкм
аб
в
Рис. 2. Микрофотографии ориентации нематического ЖК на поверхности a-C:H, полученных в плазме тлеющего разряда (а), после обработки поверхности a-C:H УФ излучением (б), после
предварительной обработки УФ излучением слоя ITO, перед осаждением a-C:H (в)
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 5 (69)
27
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОКОНТРАСТНОГО РАСТРА...
Заключение
При сканировании поверхности исследуемых образцов с толщиной ориентирующего слоя a-C:H менее 130 нм с помощью УФ излучения азотного лазера, глубина канавок превышала его толщину. В результате этого удалялся не только ориентирующий, но и частично слой ITO, что вызывало неоднородность ориентации ЖК на плоскости внутри канавок с образованием полосатой структуры. В случае предварительной обработки слоя ITO, для создания анизотропии текстуры его поверхности, благодаря повышению скорости перемещения образца относительно лазерного пучка, удалось не только уменьшить глубину канавок, но и получить затем однородную ориентацию жидкого кристалла на поверхности ориентирующего слоя a-C:H, осажденного на эту поверхность. Дальнейшее совершенствование способа формирования анизотропии ориентирующей ЖК поверхности будет направлено на оптимизацию условий обработки с использованием УФ поляризованного излучения: длины волны, плотности мощности и скорости перемещения обрабатываемой поверхности.
Литература
1. Rho S.J., Lee D.-K., Baik H.K. et al. Investigation of the alignment phenomena using a-C:H thin films for liquid crystal alignment materials // Thin Solid Films. – 2002. – V. 420–421. – P. 259–262.
2. Hwang J.-Y., Jo Y.-M., Seo D.-S., Jang J. Liquid crystal alignment capability by the UV alignment method in a-C:H thin films Jap // J. of Appl. Phys., Part 2: Letts. – 2003. – V. 42. – № 2A. – Р.114–116.
3. Васильев В.Н., Коншина Е.А., Костомаров Д.С., Федоров М.А., Амосова Л.П., Гавриш Е.О. Влияние ориентирующей поверхности и толщины слоя жидкого кристалла на характеристики электроуправляемых оптических модуляторов // ПЖТФ. – 2009. – Т. 35. – Вып. 11. – С. 33–38.
4. Park C.-J., Hwang J.-Y., Kang H.-K., Seo D.-S., Ahn H.-J., Kim J.-B., Kim K.-C., Baik H.-K. Liquid crystal alignment effects and electro optical performances of twisted Nematic-Liquid Crystal display using ionbeam alignment method of nitrogen-doped diamond like carbon thin film layer. Jap // J. of Appl. Phys. Letts. – 2005. – V. 44. – № 3. – Р.1352–1355.
5. Wu H.-Y., Pan R.-P. Liquid crystal surface alignments by using ion beam sputtered magnetic thin films // Applied Physics Letters. – 2007. – 91. – 074102. – 2007.
6. Гавриш Е.О. Формирование анизотропии наноструктуры поверхности тонких пленок на основе аморфного углерода // Сборник трудов конференции молодых ученых. Выпуск 3. Оптоинформатика, наносистемы и теплотехника. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 263 с.
Гавриш Екатерина Олеговна Чуйко Владимир Анатольевич
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, аспирант , katty87@list.ru
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики,
старший преподаватель,
veiko@lastech.ifmo.ru
28 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 5 (69)
УДК 535.3; 535.4; 535.012.21
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Е.О. Гавриш, В.А. Чуйко
Исследуется возможность создания анизотропной текстуры на гладкой поверхности ориентирующих пленок на основе аморфного углерода (a-C:H) и оксидов индия и олова (ITO) с помощью УФ лазерного излучения. Приводятся результаты исследования с помощью оптической микроскопии поверхности образцов до и после обработки УФ лазерным излучением, а также ориентации жидких кристаллов (ЖК) на обработанной поверхности. Обсуждается влияние условий обработки на текстуру поверхности. Ключевые слова: аморфный углерод, оксид индия и олова, тонкие пленки, УФ излучение, жидкий кристалл.
Введение
Совершенствование методов ориентации нематических ЖК актуально как для развития дисплейных ЖК-технологий [1, 2], так и при разработке активных компонентов телекоммуникационных систем [3]. К бесконтактным способам ориентации жидких кристаллов относятся: обработка поверхности ионными пучками, поляризованным и неполяризованным УФ светом [2, 4]. Эти методы основаны на удалении слоя материала для формирования анизотропной текстуры поверхности ориентирующего слоя, которая обеспечивает при взаимодействии с жидкими кристаллами однонаправленную параллельную ориентацию молекул. Для воздействия неполяризованного УФ света на тонкую углеродную пленку используют излучение мощной ртутной лампы. В качестве источника поляризованного УФ излучения может быть использован лазер. Для формирования направления ориентации на поверхности углеродных конденсатов применяют воздействие неполяризованного и поляризованного УФ излучения [2]. Для создания ориентирующей поверхности можно перед нанесением ориентирующего слоя создать текстуру поверхности электрода, используя для этого бомбардировку пучком ионов [5].
Целью этой работы является исследование возможности формирования анизотропии текстуры поверхности ориентирующих слоев a-C:H, а также предшествующего им электродного слоя на основе ITO с помощью поляризованного УФ излучения для улучшения качества ориентации жидких кристаллов.
Слои ITO получали методом катодного распыления. Ориентирующие слои a-C:H осаждали на стеклянные подложки, покрытые прозрачным проводящим покрытием в плазме тлеющего разряда на постоянном токе из паров ацетона при давлении в вакуумной камере 510–2 Па и ионном токе 1 мА. Слои a-C:H, полученные с помощью CVD-процесса осаждения в плазме, являются гладкими и повторяют рельеф предшествующей поверхности.
Создание анизотропии текстуры поверхности способом обработки УФ излучением аморфной углеродной пленки
Для формирования анизотропии поверхности тонких пленок a-C:H был использован УФ лазер ЛГИ-504А с длительностью импульса 6 нс и длиной волны 0,337 мкм [6]. Плотность мощности УФ излучения варьировали, изменяя напряжение накачки лазера и фокусировку пучка. Текстура поверхности создавалась путем перемещения образца, закрепленного на координатном столике, по двум координатам со скоростью 1,2 мм/с при неподвижном лазерном пучке. В результате такой обработки происходило удаление слоя материала и образование параллельных канавок. Глубину канавки, образующуюся при воздействии лазерного излучения, измеряли при помощи микроинтерферометра МИИ-4. В таблице приведены условия обработки УФ излучением поверхности образцов и глубина канавки, полученная в результате усреднения по трем измерениям каждого образца. Среднеквадратичная ошибка измерений не превышала 10%.
Номер образца
1 2 3 4 5
q, Вт/см2
0,24 0,02 0,03 0,24 0,31
Вид пучка
сфокусированный расфокусированный расфокусированный сфокусированный сфокусированный
Глубина канавки,
мкм
0,64±0,06
0,52±0,04
0,13±0,01
–
–
Ширина канавки,
мкм
27 27 55 13,5 7,4
Скорость стола, мм/с
1,2 1,2 1,2 10 10
Вид поверхности
a-C:H a-C:H a-C:H ITO ITO
Таблица. Условия обработки образцов УФ излучением
26 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 5 (69)
Е.О. Гавриш, В.А. Чуйко
На рис. 1, а, б, приведены фотографии поверхности образцов после обработки их N2-лазером, полученные с помощью микроскопа БИОЛАМ с десятикратным увеличением, оснащенного видеокамерой. Как видно на рис. 1, а, при обработке сфокусированным пучком плотностью мощности 0,24 Вт/см2 образуются глубокие канавки (0,64 мкм). Воздействие расфокусированного пучка (образец № 2) приводило к уменьшению глубины канавки до 0,52 мкм (рис. 1, б). Наименьшая глубина съема материала аморфной углеродной пленки, равная 0,13 мкм, была получена у образца № 3 при обработке расфокусированным пучком плотностью мощности 0,03 Вт/см2. Однако воздействие УФ излучения на a-C:H пленку приводило к удалению не только слоя углерода, но также и поликристаллического электродного слоя под ним.
50 мкм
50 мкм
50 мкм
а бв
Рис. 1. Микрофотографии поверхности образцов, обработанных УФ лазером: а – № 1; б – № 2; в – № 3 (см. таблицу)
Создание анизотропии текстуры поверхности способом обработки УФ излучением ITO слоя
В качестве альтернативного метода был использован способ формирования анизотропии текстуры поверхности ITO слоем, поляризованным УФ излучением, перед осаждением на него слоя a-C:H. Для снижения съема материала была увеличена скорость перемещения координатного столика, на котором закреплялся образец, относительно лазерного пучка в 10 раз. В результате этого значительно уменьшилась ширина канавок (рис. 1, в). Из-за недостаточно высокого разрешения микроинтерферометра глубину канавок в данном способе померить не удалось.
На рис. 2, а, для сравнения приведена микрофотография однородной параллельной ориентации нематического ЖК на поверхности слоя a-C:H, осажденной на подложки, расположенные под углом 20 относительно вертикали [4]. Нанотекстура ориентирующей поверхности в этом случае создавалась перед нанесением пленки a-C:H в результате обработки ее ионами инертного газа Ar, падающими под скользящими углами при наклонном расположении подложек в плазме.
На рис. 2, б, приведена микрофотография ориентации ЖК-1282 (НИОПИК) на поверхности слоя a-C:H, осажденного на подложки, расположенные горизонтально относительно потока в плазме и обработанные затем с помощью УФ лазера. При исследовании ЖК ячеек, собранных из элементов, обработанных УФ излучением, было обнаружено чередование полос с разной ориентацией. На рис. 2, б, можно видеть, что глубокие канавки, образовавшиеся на поверхности в результате воздействия УФ излучения, нарушают однородность параллельной ориентации ЖК. Вдоль канавок молекулы ЖК ориентируются гомеотропно (перпендикулярно поверхности), что свидетельствует об удалении ориентирующего слоя a-C:H.
На рис. 2, в, показана микрофотография однородной параллельной ориентации нематического ЖК при использовании метода осаждения слоя a-C:H на поверхность слоя ITO, обработанного УФ поляризованным излучением. Уменьшение глубины канавок при таком способе создания ориентирующей поверхности привело к улучшению качества ориентации.
50 мкм
50 мкм
50 мкм
аб
в
Рис. 2. Микрофотографии ориентации нематического ЖК на поверхности a-C:H, полученных в плазме тлеющего разряда (а), после обработки поверхности a-C:H УФ излучением (б), после
предварительной обработки УФ излучением слоя ITO, перед осаждением a-C:H (в)
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 5 (69)
27
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОКОНТРАСТНОГО РАСТРА...
Заключение
При сканировании поверхности исследуемых образцов с толщиной ориентирующего слоя a-C:H менее 130 нм с помощью УФ излучения азотного лазера, глубина канавок превышала его толщину. В результате этого удалялся не только ориентирующий, но и частично слой ITO, что вызывало неоднородность ориентации ЖК на плоскости внутри канавок с образованием полосатой структуры. В случае предварительной обработки слоя ITO, для создания анизотропии текстуры его поверхности, благодаря повышению скорости перемещения образца относительно лазерного пучка, удалось не только уменьшить глубину канавок, но и получить затем однородную ориентацию жидкого кристалла на поверхности ориентирующего слоя a-C:H, осажденного на эту поверхность. Дальнейшее совершенствование способа формирования анизотропии ориентирующей ЖК поверхности будет направлено на оптимизацию условий обработки с использованием УФ поляризованного излучения: длины волны, плотности мощности и скорости перемещения обрабатываемой поверхности.
Литература
1. Rho S.J., Lee D.-K., Baik H.K. et al. Investigation of the alignment phenomena using a-C:H thin films for liquid crystal alignment materials // Thin Solid Films. – 2002. – V. 420–421. – P. 259–262.
2. Hwang J.-Y., Jo Y.-M., Seo D.-S., Jang J. Liquid crystal alignment capability by the UV alignment method in a-C:H thin films Jap // J. of Appl. Phys., Part 2: Letts. – 2003. – V. 42. – № 2A. – Р.114–116.
3. Васильев В.Н., Коншина Е.А., Костомаров Д.С., Федоров М.А., Амосова Л.П., Гавриш Е.О. Влияние ориентирующей поверхности и толщины слоя жидкого кристалла на характеристики электроуправляемых оптических модуляторов // ПЖТФ. – 2009. – Т. 35. – Вып. 11. – С. 33–38.
4. Park C.-J., Hwang J.-Y., Kang H.-K., Seo D.-S., Ahn H.-J., Kim J.-B., Kim K.-C., Baik H.-K. Liquid crystal alignment effects and electro optical performances of twisted Nematic-Liquid Crystal display using ionbeam alignment method of nitrogen-doped diamond like carbon thin film layer. Jap // J. of Appl. Phys. Letts. – 2005. – V. 44. – № 3. – Р.1352–1355.
5. Wu H.-Y., Pan R.-P. Liquid crystal surface alignments by using ion beam sputtered magnetic thin films // Applied Physics Letters. – 2007. – 91. – 074102. – 2007.
6. Гавриш Е.О. Формирование анизотропии наноструктуры поверхности тонких пленок на основе аморфного углерода // Сборник трудов конференции молодых ученых. Выпуск 3. Оптоинформатика, наносистемы и теплотехника. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 263 с.
Гавриш Екатерина Олеговна Чуйко Владимир Анатольевич
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, аспирант , katty87@list.ru
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики,
старший преподаватель,
veiko@lastech.ifmo.ru
28 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 5 (69)