一种高性能聚碳酸酯薄膜的制备及表征

第36卷，增刊 红外与激光工程 2007年6月V ol.36 Supplement Infrared and Laser Engineering Jun.2007

收稿日期：2007-04-30

基金项目：部委项目资助（6906005001，6906002043）；教育部“新世纪优秀人才支持计划”（NCET-05-0465）资助 一种高性能聚碳酸酯薄膜的制备及表征

季春玲1，张晓阳1，张 彤1，崔一平1，朱劲松2，周经纶2，范江峰2

（1.东南大学 电子科学与工程学院，江苏 南京210096；2.国家纳米科学中心，北京 100080）

摘要：研究了一种高性能聚碳酸酯（PC ）薄膜。将PC 粉末配成不同浓度的聚碳酸酯溶液，用旋转涂覆法在玻璃衬底上制备了均匀透明的聚碳酸酯薄膜，并对材料和薄膜的热性能及光学性能等分别进行了表征。对材料通过示差扫描量热法（DSC ）测得了玻璃化转变温度；对薄膜用紫外光谱法测量了吸收谱及光损耗，并用棱镜耦合仪测量了其折射率、膜厚及折射率随温度的变化；另外，还分析了不同实验条件对材料成膜性的影响。实验结果表明，这种新型聚碳酸酯材料具有高玻璃化温度和低吸收损耗等优点，适用于制作光波导器件芯层。

关键词：聚碳酸酯； 玻璃化温度； 旋转涂覆法

中图分类号：O484 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2007)增(激光)-0420-04

Fabrication and characterization of a high performance

polycarbonate film

JI Chun-ling 1, ZHANG Xiao-yang 1, ZHANG Tong 1, CUI Yi-ping 1,

ZHU Jing-song 2, ZHOU Jing-lun 2, FAN Jiang-feng 2

(1.School of Electronic Science and Engineering,Southeast University, Nanjing 210096, China;

2.National Center for Nano Science and Technology, Beijing 100080, China)

Abstract: A high performance polycarbonate(PC) thin film was investigated. The PC solutions with different concentration were spin coated to fabricate smooth PC films on glass substrate. Both the thermal and optical properties of this PC powder and film were characterized. The glass transition temperature (T g ) of this PC was measured by DSC. The absorption spectrum and thereafter optical loss for the PC films were determined by spectrum analyzer. The films refractive index, thickness, and d n /d t were analyzed by prism coupler. Besides, the influence of the spin coating conditions on the film properties was also investigated. By the characterization, this novel PC material exhibit high T g and low optical loss, which indicates it is promising to fabricate the core layer for optical waveguide devices.

Key words: Polycarbonate; Glass transition temperature; Spin coating

0 引 言

目前，低损耗，高性能的聚合物光波导材料是国内外研究的热点。聚合物材料被认为是实现集成光器件的重要材料，可广泛应用于光通信，光电、热电转

换器件，方向耦合器，非线性光学等领域[1-3]。聚合物材料的优势在于其低损耗，高性能，聚合物薄膜在多种衬底比如玻璃、硅片及InP 上的成膜性都很好。用于集成光学的材料必须有高透明度，好的化学、物理性能，高的机械强度以及良好的热稳定性。

增刊 季春玲等：一种高性能聚碳酸酯薄膜的制备及表征 421

目前用于制作光波导的高分子聚合物有聚氨酯、苯并环丁烯（BCB）、环氧树脂（epoxy）、光致抗蚀剂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰亚胺（polyimide）等[4-6]。聚合物材料通常都有机械强度差，耐热性不高等缺点，离实用化还有距离。聚碳酸酯光学均一性好，透光率高，双折射低；热稳定性好，热膨胀系数小，流动性好，易加工成型，是一种值得研究的新型聚合物光波导材料[7]。对聚碳酸酯材料进行了一系列光学及热稳定性能的表征，以确定其在作为光波导芯层材料方面的应用前景。

1 实验方法

1.1 薄膜的制备

1.1.1 基片处理

首先需要对玻璃衬底进行清洗，清洗步骤为：（1）用去离子水超声0.5 h；（2）乙醇超声0.5 h；（3）去离子水超声0.5 h；（4）异丙醇超声0.5 h；（5）去离子水超声0.5 h；（6）丙酮超声0.5 h；（7）烘干。1.1.2 溶液配置

溶质为聚碳酸酯粉末，不同的高分子材料需要选用不同的有机溶剂，而PC是弱极性的高分子材料,可利用环己酮、四氢呋喃(THF)或邻二氯苯等作为溶剂,其中THF为挥发性溶剂，而环己酮为高沸点溶剂。经过比较，发现以邻二氯苯为溶剂时，PC的溶解性要比另外几种溶剂好，且粘稠度比较高，更有利于下一步的旋转涂敷。所以以邻二氯苯为溶剂，用PC粉末配制了浓度分别为5％、7％、11％的溶液。

1.1.3 旋涂

使用旋转涂覆法在玻璃衬底上甩膜，制作了不同转速，不同旋转时间下的光波导。旋转涂覆法是将高分子材料溶于溶剂做成黏稠的液体，把少量的液滴滴在衬底上，通过衬底的高速旋转，而得到薄膜的方法。这种方法与其他光波导制作方法相比，具有工艺简单，成本低等优点[8]。

为得到高质量的薄膜，实验在超静间进行，且将空气湿度控制在40以下。在甩膜前先将配好的溶液超声使之均匀，然后将洗净的玻璃基片吸附在甩膜机上，用针筒抽取部分溶液，均匀而缓慢地滴在衬底上，以溶液布满基片为宜。溶液刚滴在衬底上时可能会有气泡，此时应先将其静置几分钟，气泡将消失。再设置好转速时间，便可旋转涂胶。通常旋涂分为两步，即预转和高速旋转，预转一般是在几秒钟内达到500 r/min 的速度，高速旋转时间大约30～60 s，转速根据不同材料，不同浓度，在1 000～4 000 r/min之间。

1.1.4 热固化

将甩好的薄膜烘干固化，放在真空干燥箱中，固化条件的选择需要根据聚合物材料及溶剂的自身性能。一般来说，应略高于溶剂的沸点，而且低于材料的玻璃化温度。对于PC材料，在100 °C下烘1 h，再在180 °C下烘一夜脱去溶剂，形成聚碳酸酯薄膜波导。

1.2 材料热性能的表征

1.2.1 测试聚碳酸酯的热稳定性

由于聚合物经常是在不同的温度环境下使用，且其折射率也随环境温度的变化而变化，因此聚合物光学材料的耐热性也是应用中必须考虑的问题。玻璃化转变温度

g

T可直接反映聚合物耐热性的高低，因此测量了聚碳酸酯材料的玻璃化转变温度。

采用STA 409 PC/PG热分析仪测得了材料的DSC曲线，标定速度为10 /min

℃，样品为聚碳酸酯粉末，样品量为12.1 mg。

1.2.2 热光系数（d n/d t）的测量

为测材料的折射率随温度变化情况，使用SPA －4000棱镜耦合仪，采用膜厚9.68 µm的玻璃衬底薄膜作为样品，在1 550 nm波长，TE模下将待测薄膜及棱镜同时加热，每上升10°C测量一次薄膜的折射率，得到了20～90 °C下的折射率。

1.3 材料光学性能的表征

1.3.1 测量材料的光吸收谱

使用UV-3600紫外光谱仪，以干净的载波片作为参比，测定了其制得的聚碳酸酯薄膜的光吸收谱。

1.3.2 折射率与膜厚的测量

测量波导的折射率和厚度使用的是SPA-4000棱镜耦合仪。在TE模式下测量了波长在632.8 nm和

1 550 nm（即通信波段）下的折射率和膜厚。

2 结果及分析

2.1 材料的成膜性讨论

材料的成膜性对于聚合物光波导材料非常重要，薄膜表面的粗糙程度直接影响着波导的散射损耗。要制作出均匀透明的聚合物薄膜，工艺上的每个环节都不可忽视，从开始的清洗衬底，到溶液的配制，转速的控制，以及烘干的条件，这其中每一步笔者都做了