MTA Atomki, Debrecen

1. Protonnyaláb okozta fizikai és kémiai változások vizsgálata polimerekben és alkalmazásaik a protonnyalábos mikromegmunkálásban TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024. Szilasi Szabolcs Témavezetők: Dr. Rajta István Dr. Kiss Árpád Zoltán MTA Atomki, Debrecen PhD védés, 2012. szeptember 25.

2. Bevezetés • Protonnyalábos mikromegmunkálás (Proton Beam Writing, PBW) • Viszonylag új (1993, Oxford), direkt írásos, háromdimenziós litográfiás eljárás • Világszerte ~10 laboratórium, kiemelkedő: Szingapúri Egyetem - Center of Ion Beam Applications (CIBA) • Pásztázó ionmikroszonda laboratóriumokban használják, kereskedelmi forgalomban még nem kapható PBW célberendezés • Magyarországon: 2002-től, azóta is egyedüliként az Atomkiban • Először TDK-sként, majd diplomamunkásként kapcsolódtam be, később mint PhD hallgató 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 2

3. PBW bemutatása A proton behatol a céltárgyba.  A részecske által bejárt pálya mentén fizikai és kémiai változások történnek.  Az anyag szerkezete lokálisan megváltozik. A kialakuló változások mértéke függ az anyagi minőségtől és a besugárzás paramétereitől. 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 3

4. Doktori munkám során Poli(metil-metakrilát)-ban (PMMA) és poli(dimetil-sziloxán)-ban (PDMS) protonokkal történő besugárzás hatására kialakuló fizikai és kémiai változások vizsgálatával foglalkoztam. Fontos volt számomra a gyakorlati alkalmazási lehetőségek keresése, bemutatása. PMMA Törésmutató-változás mélységfüggésének vizsgálata Kémiai változások mélységfüggésének vizsgálata PDMS A törésmutató-változás mélységfüggésének vizsgálata Kémiai változások vizsgálata Mintafelszín topográfiájának változásai Eredmények alkalmazása, optikai elemek létrehozása Optikai hullámvezető kialakítása, fényvezetés igazolása Optikai rácsok és Fresnel-féle zónalemezek létrehozása Domború mikrolencse kialakítása 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 4

5. Atomki VdG-5 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 5

6. 6.25×1013 proton/cm2, 2 MeV, ~83 m PMMA – kémiai változások mélységfüggésének vizsgálata Mivel egy ion lassulása közben változó mennyiségű energiát ad át a közegnek, ezért feltehetőleg a pályája mentén felszakadó kötések száma sem állandó. FTIR Transzmissziós Reflexiós (ATR) 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 6

7. Pontmérés Vonal pásztázás PMMA – kémiai változások mélységfüggésének vizsgálata Raman 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 7

8. PMMA – kémiai változások mélységfüggésének vizsgálata Mélységi kémiai vizsgálatok FTIR Raman Pontmérés Vonal pásztázás ATR Transzmissziós S.Z. Szilasi, R. Huszank, D. Szikra, T. Váczi, I. Rajta, I. Nagy, Chemical changes in PMMA as a function of depth due to proton beam irradiation, Materials Chemistry and Physics 130 (2011) 702– 707. 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 8

9. ~2 m2 m, 9.38  1014 cm-2 (1500 nC/mm2 ) hullámvezetők létrehozása PDMS - törésmutató változás mélységi profiljának vizsgálata Al abszorbensek, 1,265 – 2,000 MeV proton, 1,25×1015 proton/cm2 (2000 nC/mm2) Demonstráció, alkalmazás S. Z. Szilasi, J. Budai, Z. Pápa, R. Huszank, Z. Tóth, I. Rajta, Refractive index depth profile and its relaxation in polydimethylsiloxane (PDMS) due to proton irradiation, Materials Chemistry and Physics (2011) 370 - 374 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 9

10. Keresztmetszet Keresztmetszet y=a-bcx aszimptotikus függvény elérhető legnagyobb besüllyedés meghatározása PDMS – topográfia, fázisváltozás vizsgálata Kompaktálódás Topográfia és fázisváltozás kapcsolata Különböző vonalszélesség/periódus arányú vonalak S.Z. Szilasi, J. Kokavecz, R. Huszank, I. Rajta, Compaction of poly(dimethylsiloxane) (PDMS) due to proton beam irradiation, Applied Surface Science 257 (2011) 4612–4615 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 11

11. PDMS – domború mikrolencsék létrehozása kompaktálódással AFM képek 15, 30, 60, 100, 200 m belső átmérőjű körgyűrűk besugárzása 1500 nC/mm2 = 9,38×1014 proton/cm2 Lencseméretek Lencse profil Fókusztávolságok S.Z. Szilasi, N. Hegman, A. Csik, I. Rajta, Creation of convex microlenses in PDMS with focused MeV ion beam, Microelectronic Engineering 88 (2011) 2885–2888 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 12

12. Összefoglalás • PMMA és PDMS polimerek optikai tulajdonságainak megváltozását vizsgáltam különböző hullámhosszakon a 2 MeV-es protonok behatolási mélységének függvényében. Kimutattam, hogy a besugárzás hatására kialakult törésmutató változás szorosan összefügg a protonok energiaveszteségével. Az eredményeim demonstrációjaként optikai eszközöket hoztam létre proton mikronyalábbal PDMS-ben. • PMMA és PDMS polimerekben protonokkal történő besugárzás hatására kialakuló kémiai változásokat vizsgáltam a protonok behatolási mélységének függvényében. Kimutattam, hogy a besugárzás hatására kialakult kémiai változás szorosan összefügg a protonok energiaveszteségével. PMMA esetében meghatároztam a bekövetkező kompaktálódás mértékét a mélység függvényében • Vizsgáltam PDMS felszínének topográfiai változásait 2 MeV energiájú proton mikronyaláb hatására. Megmutattam, hogy a PDMS felszínének topográfiája hogyan függ a besugárzás bizonyos paramétereitől. Az eredményeim alapján mikrooptikai eszközöket készítettem és vizsgáltam. 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 13

13. A disszertációhoz tartozó közlemények 1. I. Rajta, S.Z. Szilasi, J. Budai, Z. Tóth, P. Petrik, E. Baradács, Refractive index depth profile in PMMA due to proton irradiation, Nucl. Instr.Meth. in Phys. Res. B 260 (2007) 400–404, IF: 0,997. F.len hivatkozások száma: 7. 2. S. Z. Szilasi, J. Budai, Z. Pápa, R. Huszank, Z. Tóth, I. Rajta, Refractive index depth profile and its relaxation in polydimethylsiloxane (PDMS) due to proton irradiation, Mat. Chem. Phys. (2011) 370-374, IF: 2,353. 3. R. Huszank, S.Z. Szilasi, I. Rajta, A. Csik, Fabrication of optical devices in poly(dimethyl-siloxane) by proton microbeam, Optics Communications 283 (2010) 176–180, IF:1,517. F.len hivatkozások száma: 1 4. S.Z. Szilasi, R. Huszank, D. Szikra, T. Váczi, I. Rajta, I. Nagy, Chemical changes in PMMA as a function of depth due to proton beam irradiation, Mat. Chem. Phy. 130 (2011) 702– 707., IF: 2,353. F.len hivatkozások száma: 1. 5. S.Z. Szilasi, J. Kokavecz, R. Huszank, I. Rajta, Compaction of poly(dimethylsiloxane) (PDMS) due to proton beam irradiation, Appl. Surf. Sci. 257 (2011) 4612–4615, IF:1,793. 6. S.Z. Szilasi, N. Hegman, A. Csik, I. Rajta, Creation of convex microlenses in PDMS with focused MeV ion beam, Microel. Eng. 88 (2011) 2885–2888, IF:1,569. (7. R. Huszank, S.Z. Szilasi, D. Szikra, Deposited energy dependent chemical processes in poly(dimethylsiloxane) induced by 2.0 MeV H+ irradiation, Beküldés alatt) 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 14

14. Egyéb közlemények 8. Szilasi S.Z., Baradács E., Daruka I., Raics P., Cserháti Cs., Dobos E., Rajta I.: PMMA melting under proton beam exposure. Nucl. Instr.Meth. B 231 (2005) 419 9. Szilasi S.Z., Huszank R., Csik A., Cserháti C., Rajta I.: PDMS patterning by proton beam, Nucl. Instr.Meth. B 267 (2009) 2296 10. Rajta I., Szilasi S.Z., Fürjes P., Fekete Z., Dücső Cs., Si Micro-turbine by Proton Beam Writing and Porous Silicon Micromachining, Nucl. Instr.Meth. B 267 (2009) 2292 11. Huszank R., Szilasi S.Z., Vad K., Rajta I., Fabrication of a microreactor by proton beam writing technique, Nucl. Instr.Meth. in Phys. Res. B 267 (2009) 2299 12. Rajta I., Gál G. A. B., Szilasi S.Z., Juhász Z.,Biri S., Mátéfi-Tempfli M., Mátéfi-Tempfli S., Nanochannel alignment analysis by scanning transmission ion microscopy, Nanotechnology21 (2010) 295704 13. Huszank R., Szikra D., Simon A., Szilasi S.Z., I. P. Nagy, 4He+ Ion Beam Irradiation Induced Modification of Poly(dimethylsiloxane). Characterization by Infrared Spectroscopy and Ion Beam Analytical Techniques, Langmuir 27 (2011) 3842 – 3848 14. Gál G.A.B., Rajta I., Szilasi S.Z., Juhász Z., Biri S., Cserháti C., Csik A., Sulik B., Scanning transmission ion microscopy of polycarbonate nanocapillaries, Nucl. Instr.Meth. B (2011) 2322-2325 15. Juhász Z., Kovács S.T.S., Herczku P., Rácz R., Biri S., Rajta I., Gál G.A.B., Szilasi S.Z., Pálinkás J., Sulik B., Guided transmission of 3 keV Ar7+ ions through dense polycarbonate nanocapillary arrays: Blocking effect and time dependence of the transmitted neutrals, Nucl. Instr.Meth. B 279 (2012) 177–181

15. Köszönetnyilvánítás Köszönettel tartozom mindenkinek, aki segített, közreműködött, bármilyen módon hozzájárult e dolgozat vagy a benne foglalt eredmények megszületéséhez! Külön megköszönöm témavezetőmnek, Dr. Rajta Istvánnak, hogy lehetővé tette a kutatási programom megvalósítását, és hogy a kezdetektől fogva segítette, támogatta munkámat! Köszönetet mondok Dr. Kiss Árpád Zoltán professor emeritusnak, kezdeti témavezetőmnek a sok hasznos tanácsért, megjegyzésért, és hogy szorgalmazta a dolgozatom megírását. Köszönöm a kutatásaim során született cikkek társszerzőinek az elvégzett munkájukat, tanácsaikat, segítségüket. Nagyszerű szakembereket ismerhettem meg személyükben, igazi élmény volt velük együtt dolgozni! Nem utolsó sorban hálával tartozom családomnak, mert mindvégig támogattak és biztosították a munkámhoz szükséges nyugodt hátteret, ami nélkül ez a dolgozat bizonyára meg sem születhetett volna. A publikáció/prezentáció/poszter elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. 2012. Szeptember 25. Szilasi Sz. – Ph.D. védés 16