Efeitos da radiação iônica em polímeros sob confinamento espacial em uma dimensão

Abstract

In this study the spatial confinement effects on the topological (mass transport and particle ejection) and chemical modifications of poly(methyl methacrylate) thin films (1<ℎ<360 nm) irradiated by swift heavy ions were systematically investigate. The surface tracks dimensions were characterized by atomic force microscopy and the results show that the surface effects are weakened when the length of the ion track is spatially confined down to few nanometers. The deviation from bulk-like behavior starts at a critical thickness ℎ1 as large as ~40 nm to the ridge volume, due to effects associated to cooperative action of excited material along the track. However, ℎ1 is much smaller for effects related to events close to the surface, such as the crater size (ℎ1~10 nm). Analytical calculations based on the pressure pulse model were carried out to investigate theoretical aspects of the ion-matter energy transfer in the transport and dissipation of the deposited energy. The results obtained from these calculations match the experimental observations. Chemical modifications were investigated by quantifying bond breaking rates, extracted by x-ray photoelectron spectroscopy. Cross sections for carbon-oxygen bonds for films under Bi irradiation are slightly smaller for thinner films, whilst for proton irradiation the values do not show substantial difference down to the smallest thickness viable for analysis (ℎ~5 nm). From these set of data it is verified that the ionic irradiation effects on polymer thin films are weakened under spatial confinement into layers with ℎ below a certain critical value ℎ1, dependent on the probed effect. Substantial difference on the surface track dimensions were not observed between the distinct substrates investigated.

Neste trabalho foram investigados sistematicamente os efeitos de confinamento espacial nas modificações topológicas (transporte de massa e ejeção de partículas) e químicas induzidas por íons pesados de alta energia (de dezenas a milhares de MeV) em filmes finos de poli(metacrilato de metila) (1< ℎ <360 nm). As dimensões dos efeitos de superfície induzidos pela irradiação foram caracterizadas por microscopia de força atômica e os resultados mostram claramente o enfraquecimento dos efeitos induzidos pela irradiação quando o comprimento da trilha é reduzido a poucos nanômetros. Desvios do comportamento observado para filmes bulk começam em uma espessura crítica ℎ1 tão grande quanto ~40 nm para o volume da protuberância, devido à redução dos efeitos de ação cooperativa de material excitado ao longo da trilha. Entretanto, ℎ1 é bem menor para efeitos relacionados a eventos próximos à superfície, como o tamanho cratera (ℎ1~10 nm). Cálculos analíticos pelo modelo do pulso de pressão foram utilizados para investigar aspectos teóricos da transferência de energia íon-material no transporte e dissipação da energia depositada. Os resultados obtidos a partir desses cálculos corroboram com observações experimentais. As modificações químicas foram investigadas através das seções de choque de quebra de ligações, extraídas por espectroscopia de fotoelétrons por raios x. As seções de choque de danos para as ligações carbonooxigênio, obtidas para irradiações com íons de Bi de 2,2 GeV, são levemente reduzidas para filmes mais finos, enquanto as seções de choque para filmes irradiados com prótons de 2 MeV não mostram diferenças significativas até a espessura mais fina acessível por análise de XPS (ℎ~5 nm). A partir desse conjunto de dados verificouse o enfraquecimento dos efeitos induzidos pela irradiação em filmes poliméricos sob confinamento espacial em camadas com ℎ abaixo de um valor crítico ℎ1, sendo ℎ1 dependente do efeito sondado. Não foram observadas diferenças significativas do efeito da espessura para diferentes substratos.