В работах по исследованию фрагментации органических пленок MnPc и PTCDA под действием импульсного лазерного излучения была обнаружена зависимость масс-спектров частиц десорбционного потока от кратности облучения [1]. Происходит модификация пленок, проявляющее как изменение параметров поверхности. В частности, воздействие лазерного излучения на поверхность пленок перилена в спектральной области фундаментального поглощения вызвало изменение оптических свойств облученных участков [2]. С помощью интерференционного микроскопа МИИ-4 было обнаружено изменение отражательной способности облученных областей. Более детальное исследование облученных участков пленок MnPc (80 нм) с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) показало, что происходит необратимое изменение состояния поверхности [3]. В связи с чем, в данной работе ставилась задача исследования топографии поверхности пленок PTCDA и PTCDI(C7H7)2 методами АСМ и закономерностей модификации органических пленок импульсным лазерным излучением наносекундной длительности.
Объекты исследования и техника эксперимента. В качестве источника излучения использовался Nd3+ YAG лазер с энергией кванта 2.34 эВ и длительностью импульса 10 нс. Длина волны лазера попадает в спектральную область собственного поглощения используемых органических пленок как PTCDA, так и MnPc. Пленки PTCDA наносились на поверхность GaAs (100) с использованием ячейки Кнудсена в вакууме 10-5 Па. В качестве исходного материала использовался очищенный порошок производство компании «Aldrich Chem. Co.». Скорость осаждения составляла 0.1нм/с. Толщина пленок контролировалась резонансным методом во время напыления. Качество (молекулярный состав) пленок оценивалась сравнением ИК – спектров поглощения пленок и исходного порошка. Исследование топографии поверхности облученных пленок проводилось в условиях форвакуума (10-1 Па) с использованием атомно-силового микроскопа NTEGRA-AURA компании NT-MDT.
Результаты экспериментов и их обсуждение. Известно, что при осаждении молекул PTCDA на горячую подложку происходит их частичная фрагментация с последующей десорбцией фрагментов с поверхности пленки [4]. Согласно результатам работы [5], легкие фрагменты, осколки карбонильной части молекулы PTCDA, начинают присутствовать в спектрах десорбционного потока при температуре 350К, а фрагментация остова молекулы начинается при 470К.
Учитывая эти результаты, а также планируя последующую обработку лазерным излучением, в данной работе осаждение органических пленок осуществлялось без нагрева подложки. В этом случае поверхностная диффузия затруднена, из-за низкой температуры, и осажденные молекулы образовывают на поверхности подложки агломераты – кластеры. Происходит двумерный островковый рост с образованием малоподвижных кластеров и в результате пленки имеют столбчатую структуру. Необработанная пленка выглядит довольно неровной, и далее она подвергалась облучению импульсным лазерным излучением.
Действие лазерного излучения в спектральной области собственного поглощения пленки приводит к уплотнению поверхностного слоя пленок. Можно выделить три различных участка в зоне облучения, где произошло уплотнение и ступенчатое удаление пленки (рис. 1a). Одиночный скан, представленный на (рис. 1b) взят с уровня 55 – го мкм по горизонтали. В центральной части области облучения уровень поверхности опустился на 34 нм ниже по сравнению со следующей ступенькой, которая в свою очередь опустилась на 20 нм (рис. 1b). Соответственно толщина пленки в этих участках зоны облучения составит 80 нм на первой ступеньке и 46 нм в центральной части. Рельеф поверхности в пределах ступенек после облучения стал более ровный с колебаниями по высоте менее 3 нм. Выброс высотой 1 мкм в конце графика имеет ширину около 2 мкм. По все видимости это часть пленки свернулась в комок неправильной формы. Такую же природу имеют остальные, более низкие выступы. Обнадеживающие результаты по полному удалению разрушенного верхнего слоя были получены при использовании пленок на основе молекулы PTCDI(C7H7)2 c азот содержащими заместителями в карбонильной части.
Рис. 1. Топография облученного импульсным лазерным излучением участка поверхности пленки PTCDA (a), рельеф поверхности по горизонтали на уровне 55 мкм (b)
Пленки PTCDI(C7H7)2, как и PTCDA, наносились на подложки из арсенида галлия термически в вакууме 10-5 Па.
Заключение. В результате лазерно-стимулированной модификации органических пленок обнаружено, что действие лазерного излучения приводит к необратимому изменению топографии поверхности. Если длина волны падающего излучения попадает в область собственного поглощения, то происходит перестройка поверхности наблюдаемое как выравнивание поверхности в АСМ измерениях.
Работа выполнена по заданию министерство обазования и науки РФ (проект №2.2527.211) на оборудование Научно Образовательного Центра естественных наук.