基于原子力显微分析技术研究全息光栅结构与性能的关系

雷 敏，罗 云

（华中科技大学 生命科学研究共享平台，湖北 武汉 430074）

全息聚合物复合材料是可光聚合的单体与惰性组分（如液晶、纳米粒子、离子液体等）在相干激光辐照下通过原位光聚合诱导相分离原理制备的结构有序复合材料[1-5]。该类复合材料在裸眼三维显示[6-7]、调制激光[8-9]、数据存储[10]、温/湿度传感[11-12]、溶剂检测[13-14]、各向异性导电[2,15-16]等前沿领域具有重要应用。该类复合材料的关键性能参数是衍射效率。为表征全息聚合物复合材料的衍射效率，通常将其制备成具有一维周期性结构的全息光栅[1-3]。当检测光（通常为633 nm）从布拉格角方向照射全息光栅时，在全息光栅的另外一侧会同时观察到衍射光和透射光。衍射效率定义为衍射光强与衍射和透射总光强的比值[3]。衍射效率越高，表明全息聚合物复合材料的性能越好。

阐明材料结构与性能的关系对优化材料性能非常必要。全息聚合物复合材料是原位形成的，其关键结构处于亚微米及纳米尺度，但微观形貌复杂，导致精确构建结构与性能的关系仍存在挑战。虽然已有文献采用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征了全息光栅的微观结构[7,17]，但全息光栅微纳结构对衍射效率的影响尚未得到全面阐释。

本文采用原子力显微镜对全息聚合物复合材料的光栅微结构进行了系统分析，结果表明：全息光栅沟槽顶部的粗糙度对光栅衍射效率影响较小，但沟槽底部的粗糙度在高衍射效率时对衍射效率影响较大；全息光栅的衍射效率主要取决于光栅的沟槽深度。

1 实验

1.1 实验材料

本文使用的全息光栅通过激光全息光聚合诱导相分离原理制备。在表征前，通过溶剂将惰性组分清除（该过程不会影响聚合物的交联网络），得到具有沟槽结构的全息光栅。沟槽凸起部分为原位生成的聚合物网络，而沟槽凹陷部分代表原始的惰性组分[1]。全息光栅在被溶剂处理之前的衍射效率分别为30%、58%、71%、84%、94%和98%。

1.2 原子力显微表征

采用德国Bruker 公司的原子力显微镜Multimode 8 进行测试。探针型号 Scananalyst-Air，扫描模式ScanAsyst；扫描速率1 Hz；像素点512×512。对光栅样品的表面形貌进行测试，并采用NanoScope Analysis（Version 1.5）软件分析样品的光栅周期、沟槽顶部粗糙度、沟槽底部粗糙度及沟槽深度。

2 结果与讨论

2.1 原子力显微镜表征结果

如图1 所示，在被溶剂处理后，全息光栅呈现出显著的沟槽结构。沟槽凸起区为聚合物，沟槽凹陷区为原来的惰性组分。可以看出，衍射效率较低时，沟槽深度较浅。随着衍射效率的增加，沟槽深度逐渐增加，表现为在相同视角下Z 轴坐标标尺变大。光栅沟槽顶部也可以看到明显的结构，说明存在一定的粗糙度。随着光栅衍射效率的增加，这种“毛刺”结构有所减少。结果表明，相分离不仅发生在内部，也发生在表面。

图1 不同衍射效率时全息光栅的3D 原子力显微镜照片

2.2 全息光栅结构与衍射效率的关系

通过NanoScope Analysis（Version 1.5）软件分析了全息光栅的微观形貌。结果表明，在这批全息光栅中，随着衍射效率的变化，光栅周期在850～900 nm之间波动，差异并不显著（见图2）。

分析了不同衍射效率下的沟槽顶部粗糙度、沟槽底部粗糙度和沟槽深度。结果表明，随着衍射效率的提高，沟槽顶部的粗糙度变化并不显著，在2～5 nm之间波动（见图3(a)）；当衍射效率低于58%时，沟槽底部粗糙度不变，约为7 nm；当衍射效率进一步提高时，沟槽底部粗糙度增加至20～23 nm（见图3(b)）。沟槽深度随着衍射效率的增加逐步从40 nm 增加到120 nm 左右（见图3(c)）。在衍射效率为71%和84%时，沟槽深度和底部粗糙度都产生了波动，具体原因有待进一步分析。总体而言，沟槽深度对衍射效率的影响更显著。沟槽深度增加，表明相分离程度提高，则全息光栅的性能总体上得以提升。

图2 光栅周期与全息光栅衍射效率的关系

图3 光栅沟槽结构参数与全息光栅衍射效率的关系

根据图1 可知，衍射效率较低的全息光栅具有更为显著的“毛刺”结构，表明相分离较差。为更深入理解全息性能与光栅微观形貌的关系，将粗糙度/沟槽深度比对衍射效率作图（见图4）。从图中可以看出，沟槽底部粗糙度/沟槽深度比在不同衍射效率时波动较大，但顶部粗糙度/沟槽深度比与衍射效率存在一定的相关性。当顶部粗糙度/沟槽深度比较高（＞0.09）时，全息光栅的衍射效率较低（＜60%）；当该比值低于0.04时，全息光栅具有较高的衍射效率（＞80%）。

图4 粗糙度/沟槽深度比与全息光栅衍射效率的关系

4 结论

全息光栅的衍射效率依赖于其微纳结构的有序度。相分离程度较低时，全息光栅顶部有更多“毛刺”结构。光栅底部粗糙度在衍射效率较低（＜60%）时未随衍射效率增加而变化，但在高衍射效率时有明显增加。随着衍射效率的增加，沟槽深度总体上显著增加。与沟槽深度相比，顶部粗糙度/沟槽深度比更能体现衍射效率与光栅微观形貌的相关性。当该比值高于0.09 时，全息光栅衍射效率较低（＜60%）；而当该比值低于0.04时，全息光栅的衍射效率较高（＞80%）。需要指出的是，衍射效率高于80%时，随着衍射效率的增加，顶部粗糙度/沟槽深度比略有增加，这可能是正常的波动。后续工作需对更多全息光栅进行分析，并进行大量统计，以获得更明确、定量化的结构性能关系。