Microestruturação de politetrafluoretileno (PTFE) por feixes de prótons

Abstract

O presente trabalho refere-se ao processo de estruturação de politetrafluoretileno (PTFE), através do microfeixe iônico, para possível desenvolvimento de biossensores moleculares, membranas estruturadas e dispositivos óptico-eletrônicos. O procedimento para a fabricação de estruturas com microfeixe de íons consiste, basicamente, na incidência de feixes de íons focalizados altamente energéticos e de dimensões micrométricas no material a ser estruturado. As regiões sensibilizadas pelo feixe são tratadas por processos químicos ou físicos. O desenvolvimento desse trabalho foi realizado junto à linha de microfeixe de íons pertencente ao Laboratório de Implantação Iônica, vinculado ao Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. A fabricação dessas microestruturas ocorreu através da irradiação de PTFE com íons H+ de 2,2 MeV. A dimensão do feixe de prótons foi de aproximadamente 3,5 x 3,5 m2, enquanto que a dose variou entre 6 x 1013 e 1 x 1015 H+/cm2. Duas espessuras distintas de polímero foram utilizadas nos experimentos: 25 μm e 2 mm. Após o processo de irradiação, dois processos de remoção das regiões modificadas foram investigados para a revelação das microestruturas no PTFE. No primeiro processo, as amostras foram mantidas imersas em solução alcalina de hidróxido de sódio 6M (NaOH Merck 99% P.A), durante 5 min, a uma temperatura constante de 60 °C. Durante este tempo, a solução foi mantida sob agitação magnética constante. Alternativamente à agitação magnética, utilizou-se a aplicação de ondas ultrassônicas no meio líquido. No segundo processo, a solução alcalina foi substituída por água destilada, mantendo-se todos os outros parâmetros de processo. As estruturas criadas através da remoção dessas regiões modificadas pela incidência do microfeixe de íons foram caracterizadas através da técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados mostram que a microestruturação do PTFE produz estruturas bem definidas após o tratamento químico com NaOH. O tratamento das amostras somente com ultrassom em água destilada também produziu resultados satisfatórios, permitindo obter microestruturas com boa razão de aspecto. Esse 16 processo apresenta-se, portanto, como um método alternativo ao processo de corrosão química para o polímero em questão.

The present work deals with the micropatterning of polytetrafluoroethylene (PTFE) using the ion microprobe technique. This kind of study can foster new developments for the production of biosensors, patterned membranes and other electronic devices. The production of microstructures consists on the irradiation of polymers with energetic focused ion beams. The irradiated regions of the polymer are then removed through chemical or physical processes. The development of this work was carried out at the ion microprobe station of the Ion Implantation Laboratory (Institute of Physics – Federal University of Rio Grande do Sul). The fabrication of these microstructures employed 2.2 MeV proton beams with fluences ranging from 6x1013 up to 1 x 1015 H+/cm2. The beam spot size was about 3.5 x 3.5 m2. Two different polymer thickness were used in the experiments, namely 25 μm and 2 mm. Right after the irradiation process, the PTFE is immersed either in 6M sodium hydroxide solution (NaOH Merck 99% P.A), or in distilled water for 5 minutes. The temperature was 60° C and was kept constant throughout the immersion bath. The solution and the water were submitted to magnetic stirring and ultrasonic waves. The microstructures obtained through the removal of the regions modified by the incidence of the proton beam were characterized by scanning electron microscopy (SEM). The results show that the patterning of the polymer with proton beams leads to microstructures relatively well defined after the immersion treatment with NaOH under magnetic stirring and ultrasonic waves. Moreover, the use of distilled water with ultrasonic waves produced positive results concerning the micropatterning of PTFE. This process is therefore presented as an alternative method to the chemical etching process for the polymers in question.