PMMA奈米尖錐結構熱壓印結果及分析

透過奈米針尖孔洞模具可壓印出不同高寬比的塑膠奈米尖錐結 構，藉由掃瞄式電子顯微鏡來觀察塑膠奈米尖錐結構的表面形貌、幾 何尺寸、密度、分佈與均勻性等等。PMMA材料的玻璃轉化溫度（glass transition temperature）Tg= 110℃左右，本實驗做了幾個不同的熱壓 溫度。當熱壓溫度剛好在Tg 點110℃時，壓出結構的週期寬度在100 nm到150 nm左右，長度分佈在120 nm到250 nm。由於轉印成形過程 溫度較低，使得熱壓成果之結構高寬比約在1.2~1.6間，如圖5.12所 示。其冷卻後試片各處皆可順利脫模完成，而且塑膠奈米尖錐結構分 佈的密度很高，沒有分佈不均勻的問題發生。

(a)

圖5.12 PMMA基板熱壓成形溫度110℃之結構SEM圖

(b)

圖5.12 PMMA基板熱壓成形溫度110℃之結構SEM圖(續)

當提高其熱壓溫度到135℃時，壓出結構的週期寬度在100nm到 150nm左右，長度分佈在320nm到460nm。其轉印高寬比與成形性良 好，熱壓成果之結構高寬比約在2.6~3.0間，如圖5.13所示。從圖中可 觀察熱壓溫度到135℃時，在膜片上一樣具有密度高的塑膠奈米尖錐 結構分佈特性，但從圖5.13(b)中可看出某些地方尖錐結構高度相差很 多，應該是奈米針尖孔洞模具與高分子材料膨脹係數不同，以及高高 寬比結構在冷卻後脫膜過程造成挾持破壞，使得有些針尖結構高度分 佈不相等。

(a)

(b)

圖5.13 PMMA基板熱壓成形溫度135℃之結構SEM圖

將熱壓溫度提高到160℃時，壓出結構的週期寬度在100nm到 150nm左右，長度分佈在480nm到600nm。熱壓成果之結構高寬比約 在3.4~4.0間，如圖5.14所示。由圖中可觀察到高高寬比尖錐結構的成 形轉印分佈密度佳，而脫膜過程一樣有挾持破壞，使得有些尖錐結構 高度變低。在圖5.14(b)發現其結構尖端有些呈現傾斜情形，可認為是 場發射電子束聚集能量過高，當照射至PMMA表面時，使其針尖結構

發生軟化而造成傾斜。

(a)

(b)

圖5.14 PMMA基板熱壓成形溫度160℃之結構SEM圖

將熱壓成形於 PMMA 基板上的奈米尖錐結構做光學性質檢測，

首先先對 PMMA 基板材料進行反射率光譜分析，然後再對 PMMA 基 板 上 附 有 奈 米 尖 錐 結 構 的 試 片 做 分 析 ， 量 測 範 圍 從 250nm ～ 2200nm。分別針對 110℃、135℃及 160℃進行熱壓成形奈米尖錐狀 結構試片光學檢測，如圖 5.15~5.18 所示。

0

400 500 600 700 800

Wavelength (nm)

Reflectance (%)

熱壓溫度110℃

0

400 500 600 700 800

Wavelength (nm)

Reflectance(%) 達到抗反射的效果，而且比 V. Boerner [24]利用全像曝光（holographic exposure）的方式在 PMMA 基材表面製作抗反射（0.5 %）效果還要 理想。

與 PMMA 基板材料相比其反射率略降 1.5 %。

Aspect ratio

Reflectance(%)

VIS 550nm

圖 5.17 不同高寬比的 PMMA 奈米尖錐在 550 nm

波段的反射率與可見光波段比較平均上升了 1 %左右，使得降低抗反

900 1100 1300 1500 1700 1900 2100

Wavelength (nm)

Reflectance (%)

PMMA平板 奈米尖錐的高寬比在2.6～3.0之間時，其反射率為0.9～2 %，而整體 平均反射率在1.5 %；而尖錐的高寬比在1.2～1.6之間時，其反射率為 3.3～3.5%，整體平均反射率在3.4 %，與PMMA基板材料相比其反射

率略降1 %。

對於具有奈米尖錐塑膠結構的表面，可藉由接觸角量測儀與 CCD 可動態擷取影像來觀察表面的親疏水特性。首先對 PMMA 表面 無結構的基板進行接觸角（contact angle）的分析，接著分別對 PMMA 基板上附有不同高寬比奈米尖錐陣列結構的試片做量測，量測結果如 圖 5.19 所示。圖 5.19 (a)為 PMMA 基板材料表面無奈米結構，其量 得接觸角角度值為 66.6 度；圖 5.19 (b)奈米尖錐高寬比在 1.2～1.6，

量得接觸角角度值為 71.8 度；圖 5.19 (c)奈米尖錐高寬比在 2.6～3.0，

量得接觸角角度值為 104.5 度；圖 5.19 (d)奈米尖錐高寬比在 3.4~4.0，

量得接觸角角度值為 112.8 度。由上述的結果可以發現，當表面具有 奈米尖錐結構之塑膠(PMMA)材質時所量測到接觸角會有增加的現 象。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖5.19 PMMA基板上不同高寬比的奈米尖錐結構之接觸角 (a) 無結構PMMA基板為66.6度 (b)結構高寬比1.2~1.6為71.8度 (c) 結構高寬比2.6~3.0為104.5度 (d) 結構高寬比3.4~4.0為112.8度

隨著奈米尖錐長度與高寬比的增加，而接觸角的角度值呈現上升 趨勢，這個現象代表材料表面的疏水性愈高。不過離蓮花效應具自我 清潔能力的目標有待改善，一般超疏水性表面的接觸角定義需達140 度。

5.3.2 AAO模具熱壓印PMMA結果及分析

本節以 AAO 模具於 PMMA 膜片上，分別以 110℃、135℃及 160℃進行熱壓成形奈米圓柱狀結構，並以 SEM 檢測結構如圖 5.20。

繼之進行光學性質檢測，量測範圍從波長 400nm～800nm，如圖 5.21。

(a)

(b)

(c)

圖5.20 AAO模板於PMMA基板表面熱壓成型(a)溫度110℃

(b) 溫度135℃(c) 溫度160℃

400 450 500 550 600 650 700 750 800

Wavelength (nm)

Reflectance (%)

熱壓溫度160℃