等离子体诱导的倾斜聚合物表面粗糙化：形态学分析与评估

《Micro and Nano Engineering》：Plasma-induced roughening of inclined polymeric surfaces: Morphological analysis and assessment

　　

• 倾斜聚合物上等离子体诱导的表面粗糙度特性的演变。
• 表面形态从基底底部到顶部呈现从纳米波纹到类纳米线的趋势。
• 该趋势在PMMA（商用）和丙烯酸酯基NIL光刻胶上均观察到。
• 对所有倾斜角度评估了表面面积增加（SAI）和各向异性指数（A）。
• 通过离子能量与角度分布（IEADs）的空间梯度阐明该趋势的建模框架。

等离子体处理是聚合物表面改性中广泛采用的技术，传统上将基底水平放置于反应器电极上以获得均匀的化学和形态修饰。然而，实际器件中如微流控侧壁等表面可能以倾斜角度暴露于等离子体，现有关于倾斜基底等离子体粗糙化的研究极为有限，且多集中于硅材料，聚合物表面的相关机理尚不清晰。为此，研究人员系统开展了倾斜聚合物表面的等离子体微纳米纹理化研究，结合精细计量分析和多尺度模拟，揭示了表面形态随倾斜角度的演变规律及形成机制。研究结果表明，倾斜等离子体处理能够在同一基底上产生从各向异性纳米波纹到各向同性纳米线的空间形态梯度，表面面积增加在各条件下均不低于100%，且各向异性指数在靠近电极区域随倾斜角增大而显著升高。这一发现为在单一聚合物基底上实现润湿、光学、生物粘附等可控梯度功能提供了新途径。相关论文发表于《Micro and Nano Engineering》。

研究人员采用的关键技术方法包括：氧等离子体处理（电感耦合等离子体模式，100 sccm O₂，600 W源功率，300 W偏压，5.2 mTorr）配合不同倾斜角支架；扫描电子显微镜（SEM）顶视与45°倾斜成像；基于径向平均傅里叶频谱和高度-高度相关函数的计量学分析，提取纳米线和束的尺寸、间距及高度，进而计算表面面积增加（SAI）和各向异性指数（A）；以及由反应器尺度流体模型和蒙特卡洛粒子追踪模型构成的模拟框架，用于计算离子角度分布函数（IADF）与离子能量分布函数（IEDF）。样本来源包括：PMMA板（IRPEN，西班牙）和两种NILcure?光刻胶（Resin A、Resin B，JOANNEUM RESEARCH定制开发）经卷对卷涂覆于PET箔（Pütz Folien GmbH，德国）上。

3.1 表面分析：SEM成像和计量学表征
通过SEM成像，研究人员发现水平放置的样品经等离子体处理1分钟后形成纳米线和细小束状结构，3分钟后出现更大尺寸的束，不同材料形貌相似但尺寸不同。计量学分析显示，PMMA在1分钟时SAI较大，但3分钟时因束结构占据表面导致SAI几乎不变；Resin A在3分钟时SAI接近250%，主要由束间密集纳米线的贡献（SA₂）主导；Resin B的SAI居中。对于倾斜样品，在20°至90°所有倾角下均产生粗糙度，且从基底底部到顶部存在明显形态渐变。PMMA的SAI低于150%，对角度和位置不敏感；Resin A的SAI约250%，但在90°时显著降低；Resin B在20°底部区域SAI约200%。各向异性指数A随倾斜角增大而增加，在90°时底部区域A值达0.3–0.5，对应纳米波纹（等离子体诱导周期性表面结构，PIPSS）的形成；随着远离电极，形态逐步过渡为各向同性粗糙度。

3.2 计算分析和模拟：倾斜表面粗糙度形成机制的结果
模型计算表明，水平放置时离子入射角并非完全垂直，倾斜20°时入射角接近0°，而倾斜70°和90°时靠近电极区域的入射角绝对值显著增大。当入射角超过约65°时，离子反射概率大幅增加，反射离子沿表面重新分配通量并促进各向异性纳米波纹形成。因此，实验中观察到的底部到顶部粗糙度梯度可归因于IADF的空间变化：底部区域入射角接近或超过65°，形成各向异性波纹；中部和顶部区域入射角降低，反射概率趋近于零，形成各向同性结构。计算结果与所测各向异性指数的变化规律一致。

讨论部分综合了实验与模拟结果，指出传统粗糙度梯度通常仅表现为结构尺寸变化，而本研究展示的是一种形态学渐变——从各向异性纳米波纹向各向同性纳米结构的转变。该梯度由离子入射角的空间变化决定，当入射角超过约65°时离子反射为主导机制。这种可控梯度使同一基底具备可调的表面性能，为