In the present work the effect of zinc, magnesium and silver ion implantation with exposure doses of 1·10 15 and 1·1016 ion/cm{2}, accelerating voltage of 20 kV and ion energy of 20, 30, 40 keV, respectively on polylactic acid (PL) films we investigated. The study of the state of the modified layer was carried out using the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and TRIM simulation code including dynamic composition changes (TRIDYN) methods. The influence of ion beams on the surface resistivity and the wetting contact angle was studied

Васенина, И. В.

Зуза, Д. А.

Коростелев, В. О.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

XV ɆȿɀȾɍɇАɊɈȾɇАə ɄɈɇɎȿɊȿɇɐɂə ɋɌɍȾȿɇɌɈВ, АɋɉɂɊАɇɌɈВ ɂ ɆɈɅɈȾɕɏ ɍɑȿɇɕɏ «ɉȿɊɋɉȿɄɌɂВɕ ɊАɁВɂɌɂə ɎɍɇȾАɆȿɇɌАɅɖɇɕɏ ɇАɍɄ» 123  Ɋɨɫɫия, Ɍɨɦɫɤ, 24-27 ɚɩɪеɥя 2018 г. Ɍɨɦ 2. ɏиɦия    ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОФИЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ПОЛИЛАКТИДА ПОСЛЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ Д.А. Зуза 1, В.О. Коростелев 1, И.В. Васенина 1,2 Научный руководитель: профессор, д. ф.-м. н. И. А. Курзина 1Национальный исследовательский Томский государственный университет Россия,  г.Томск,  пр. Ленина, 36, 634050 2Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/3, 634055 E-mail: zzdnl@yandex.ru  CONCENTRATION PROFILE OF METAL ATOMS IN POLYLACTIC ACID AFTER ION IMPLANTATION D.A. Zuza1, V.O. Korostelev1, I.V. Vasenina1,2 Scientific Supervisor: Prof., Dr. I.A. Kurzina 1Tomsk State University, Russia, Tomsk, Lenin str., 36, 634050 2Institute of High Current Electronics SB RAS Russia, Tomsk, Akademicheskiy ave., 2/3, 634055 E-mail: zzdnl@yandex.ru  Abstract. In the present work the effect of zinc, magnesium and silver ion implantation with exposure doses of 1·1015 and 1·1016 ion/cm2, accelerating voltage of 20 kV and ion energy of 20, 30, 40 keV, respectively on polylactic acid (PL) films we investigated. The study of the state of the modified layer was carried out using the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and TRIM simulation code including dynamic composition changes (TRIDYN) methods. The influence of ion beams on the surface resistivity and the wetting contact angle was studied. Введение. С помощью метода ионной имплантации можно задавать поверхности определенные свойства, варьируя режимы ведения процесса, тем самым влияя на функциональные свойства полимерных материалов [1]. Актуальной задачей является изучение механизмов химических реакций макромолекул и изменений в надмолекулярных структурах полимеров в приповерхностном слое в условиях ионного облучения. Целью настоящей работы является изучение глубины проникновения пучков ионов металлов (Zn, Mg, Ag) в приповерхностные слои полилактида, а также исследования их химического состояния после проведения ионной имплантации. Материалы и методы исследования. Полилактид получали методом координационной полимеризации с раскрытием цикла в присутствии октоата олова и лаурилового спирта в качестве катализатора и сокатализатора, соответственно. Синтез проводили в ротационном испарителе при температуре 170 °С в течение 6 часов. Очистку полученных полимерных образцов от остатков катализатора и непрореагировавших мономеров проводили путем двукратного переосаждения при интенсивном перемешивании 8-10 %-ного раствора полимера в хлороформе в пятикратный избыток охлажденного этанола. Полученные полимеры сушили в вакуумном сушильном шкафу при температуре 50 °С в течение 20-24 часов [2]. Имплантация ионов Zn1+, Mg1.5+, Ag2+ производилась с применением экспериментальной установки, оснащенной источником ионов на основе вакуумного дугового разряда Mevva-5.Ru [3] 124 XV ɆȿɀȾɍɇАɊɈȾɇАə ɄɈɇɎȿɊȿɇɐɂə ɋɌɍȾȿɇɌɈВ, АɋɉɂɊАɇɌɈВ ɂ ɆɈɅɈȾɕɏ ɍɑȿɇɕɏ «ɉȿɊɋɉȿɄɌɂВɕ ɊАɁВɂɌɂə ɎɍɇȾАɆȿɇɌАɅɖɇɕɏ ɇАɍɄ»  Ɋɨɫɫия, Ɍɨɦɫɤ, 24-27 ɚɩɪеɥя 2018 г. Ɍɨɦ 2. ɏиɦия    Имплантацию проводили до достижения экспозиционных доз 1*1015, 1*1016 ион/см2 при ускоряющем напряжении 20 кВ. Энергия имплантируемых ионов определялась произведением ускоряющего напряжения на значение средней зарядности ионов и составляла 20, 30 и 40 кэВ, соответственно. Результаты.   Рис.1 Распределение по глубине ионов а) цинка, б) магния, в) серебра – экспозиционная доза 1*1016 ион/см2, г) цинка, д) магния, е) серебра – экспозиционная доза 1*1015 ион/см2, внедренных в полилактид (по результатам расчетов TRIDYN) На рисунке 1 представлены симуляции пробега ионов цинка, магния и серебра в зависимости от дозы облучения. При имплантации ионов цинка (рис. 1 а, г), проективный пробег ионов составляет до 625 А, причем самые высокие атомные фракции цинка будут на глубине примерно 325 А и иметь значения 0,005 для дозы 1*1015 ион/см2 и 0,038 для дозы 1*1016 ион/см2. Глубина проникновения ионов магния, если верить симуляции (рис. 1 б, д) будет составлять самое большое значение составляет 1475-1675 А, в зависимости от дозы. Самая высокая атомная фракция ионов магния будет на глубине 825 А, для дозы 1*1015 ион/см2, она составляет 0,002, для дозы 1*1016 ион/см2 0,017. Из рис 1 в, е видно, что глубина проникновения ионов серебра составляет 87-825 А, в зависимости от дозы, максимальная атомная концентрация серебра, на глубине примерно 525 А, составляет 0,036 для экспозиционной дозы  1*1016 ион/см2 и 0,004 для дозы 1*1015 ион/см2. Из данных РФЭС (рис. 2 а) видно, что серебро не образует химических связей и находится в металлическом состоянии, т.к. энергия связи пика Ag3d5/2 составляет 368,1 эВ. Данными вторичной ионной масс-спектрометрия (ВИМС) было показано, что максимальная концентрация Ag в приповерхностных слоях не превышает 80 отн. %. На глубине более 5000 А концентрация Ag не превышает 1-2%. При этом наблюдается два пика серебра: первый – на глубине 1000 А, где концентрация серебра максимальна 80 отн. %, второй – на глубине 1800 А, где концентрация серебра составляет 50 отн. %. На самой поверхности ПЛ наблюдается до 40 отн. %. атомов серебра и 40 отн. %. XV ɆȿɀȾɍɇАɊɈȾɇАə ɄɈɇɎȿɊȿɇɐɂə ɋɌɍȾȿɇɌɈВ, АɋɉɂɊАɇɌɈВ ɂ ɆɈɅɈȾɕɏ ɍɑȿɇɕɏ «ɉȿɊɋɉȿɄɌɂВɕ ɊАɁВɂɌɂə ɎɍɇȾАɆȿɇɌАɅɖɇɕɏ ɇАɍɄ» 125  Ɋɨɫɫия, Ɍɨɦɫɤ, 24-27 ɚɩɪеɥя 2018 г. Ɍɨɦ 2. ɏиɦия    углерода. Проникновение ионов серебра в полимер осуществляется следующим образом: часть ионов оседает на поверхности и теряет свой заряд, агрегируясь в металлические наночастицы, а другая часть ионов распределяется по Гауссовому закону по глубине поверхностного слоя. Воздействие ионной имплантации наблюдается на глубину до 6000 А. Воздействие высокоэнергетическими ионами приводит к модификации поверхностных свойств материалов.  Рис.2 а) РФЭС спектр полилактида, облученного атомами серебра дозой 1*1016 ион/см2, б) распределение долей атомов по глубине в приповерхностном слое полилактида (ВИМС) Заключение. Таким образом, были рассчитаны значения атомных фракций и глубина проникновения ионов методом TRIDYN, показано, что по увеличению глубины проникновения в мишень ионы металлов располагаются в следующем порядке: цинк – серебро – магний. Методом РФЭС показано, что серебро находится в металлическом состоянии и не образует новых химических связей. Методом ВИМС показано, что максимальная концентрация Ag на глубине 1800 А не превышает 80 отн. %. Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке программы повышения конкурентоспособности ТГУ № 8.2.06.2017. Особую благодарность авторы выражают профессору М.С. Сальвадори (зав. лаборатории тонких пленок Института Физики Университета Сан-Паулу) за помощь в проведении исследований.  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  1. Pukhova I.V., Savkin K.P., Laput O.A., Lytkina D.N., Botvin V.V., Medovnik A.V., Kurzina I.A. Effects of ion- and electron-beam treatment on surface physicochemical properties of polylactic acid // Applied Surface Science, 2017. – V.422. – P. 856-862. 2. Ботвин В.В., Шаповалова Е.Г. Олигомеризация гликолевой и молочной кислот // XIV Всероссийская научно-практическая конференция имени профессора Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых с международным участием «Химия и химическая технология в XXI веке», 2013. – Т.2. – с. 171-172. 3. Nikolaev A. G., Oks E. M., Savkin K. P., Yushkov G. Yu., Brown I. G. Upgraded vacuum arc ion source for metal ion implantation. // Review of scientific instruments. – 2012. – V. 83. – P. 02A501. 

Concentration profile of metal atoms in polylactic acid after ion implantation

http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/50735/1/conference_tpu-2018-C21_V2_p123-125.pdf

Concentration profile of metal atoms in polylactic acid after ion implantation

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University