مهندسی ریخت‌شناسی اوپال معکوس دوبعدی 2TiO از طریق اصلاح ماسک‌های پلیمری به‌کمک تابش جت پلاسمای آرگون

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

چکیده
در این مطالعه، تأثیر تابش جت پلاسمای آرگون بر اوپال­های پلیمری دوبعدی و نقش آن در مهندسی ساختار اوپال معکوس 2TiO مورد بررسی قرار گرفت. اوپال­های دوبعدی از میکروکره‌های پلی‌متیل‌متاکریلات (PMMA) از طریق روش خودآرایی در سطح مشترک هوا-مایع ساخته شدند و سپس در معرض پلاسمای آرگون با فشار اتمسفری قرار گرفتند. اثر فاصلۀ بین نمونه و پلاسما و زمان تابش بر تغییر ریخت‌شناسی ساختار به‌طور نظاممند مورد مطالعه قرار گرفت. پیش‌مادۀ 2TiO پیش و پس از فرآیند پلاسما در قالب‌های اوپال نفوذ داده شد و پس از حذف ماسک پلیمری، ساختارهای بلور معکوس 2TiO به‌دست آمدند. نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) نشان داد که در فاصلۀ ۴ میلی‌متری، افزایش زمان تابش از ۳ تا ۸ دقیقه موجب کاهش پیوستۀ قطر میکروکره‌ها و تخریب تدریجی نظم شش‌وجهی شد؛ درحالیکه در فاصلۀ ۶ میلی‌متری، تغییرات ملایم‌تر بوده و تنها کاهش جزئی اندازۀ ذرات مشاهده گردید. بررسی ساختارهای نهایی 2TiO نشان داد که قالب‌هایی که تحت تابش پلاسما قرار گرفته­اند، حفره‌های کوچک‌تر و دیواره‌های ضخیم‌تری ایجاد می‌کنند که منجر به افزایش کسر پرشوندگی 2TiO می‌شود؛ با این حال، تابش بیش از حد موجب بی‌نظمی شبکه و آسیب به دیواره‌ها می­­شود. این نتایج نشان می‌دهد که تنظیم دقیق پارامترهای پلاسما، شامل فاصله و زمان تابش، ابزار مؤثری برای کنترل ریخت‌شناسی و ساختار اوپال معکوس دوبعدی فراهم می‌کند. نانوساختارهای حاصل، با ویژگی‌های نوری و سطحی قابل تنظیم، پتانسیل کاربرد در افزاره‌های فوتونیکی، حسگرهای زیستی و شیمیایی، کروماتوگرافی، سامانه‌های زیست‌پزشکی، سلول‌های خورشیدی و فرآیندهای فوتوکاتالیزوری را دارند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Morphological engineering of two-dimensional inverse opal TiO₂ structures via modification of polymeric masks using Argon plasma jet irradiation

نویسندگان English

Farzaneh Bayat
Zahra Sadeghi Farshi
Mohsen Mohammadnejad
Department of Physics, Science Faculty, Azarbaijan Shahid Madani University
چکیده English

In this study, the effect of argon plasma jet irradiation on two-dimensional polymeric opals and its role in engineering inverse opal TiO₂ structures was investigated. Two-dimensional opals were fabricated from poly(methyl methacrylate) (PMMA) microspheres via a self-assembly method at the air-liquid interface and subsequently exposed to atmospheric-pressure argon plasma. The influence of the plasma–sample distance and irradiation time on the morphological evolution of the structures was systematically examined. The TiO₂ precursor was infiltrated into the opal templates before and after plasma treatment, and after removal of the polymer mask, inverse opal TiO₂ structures were obtained. Field-emission scanning electron microscopy (FESEM) revealed that at a 4 mm distance, increasing irradiation time from 3 to 8 minutes caused a continuous reduction in microsphere diameter and gradual deterioration of hexagonal order, whereas at a distance of 6 mm, changes were less pronounced, with only a slight reduction in particle size. Analysis of the final TiO₂ structures showed that plasma-treated templates produced smaller pores and thicker walls, leading to a higher TiO₂ filling fraction. However, excessive irradiation induced lattice disorder and wall damage. These results demonstrate that careful adjustment of plasma parameters—distance and exposure time—provides an effective tool for controlling the morphology and structure of inverse opals. The resulting nanostructures, with tunable optical and surface properties, are promising for photonic devices, biosensors, chemical sensors, chromatography, biomedical systems, solar cells, and photocatalytic applications.

کلیدواژه‌ها English

Two-dimensional inverse opal colloidal crystals, Deposition at the air&ndash
water interface, Monodisperse polymer microspheres, Cold plasma, Surface modification
1.       J Yu, J Lei, L Wang, J Zhang, and Y Liu, J. Alloys Compd 769 (2018) 740.
2.       G I Waterhouse and M R Waterland, Polyhedron 26 (2007) 356.
3.       H Li, J Robichaud, and Y Djaoued, Biocompat. Hybrid Oxide Nanopart. Hum. Health (2019) 209.
4.       G Collins, E Armstrong, D McNulty, S O’Hanlon, H Geaney, and C O’Dwyer, Sci. Technol. Adv. Mater 17 (2016) 563.
5.       X Ye and L Qi, Sci. China Chem 57 (2014) 58.
6.       F Xue et al, Analyst 139 (2014) 6192.
7.       E Armstrong, M Osiak, H Geaney, C Glynn, and C O'Dwyer, CrystEngComm 16 (2014) 10804.
8.       J Yu, Q Yan, and D Shen, ACS Appl. Mater. Interfaces 2 (2010) 1922.
9.       N Jose, G Deshmukh, M Ravindra, Acta Sci. Nutr. Health 3 (2019) 50.
10.    S Utech, K Bley, J Aizenberg, and N Vogel, J. Mater. Chem. A 4 (2016) 6853.
11.    V Lotito and T Zambelli, Adv. Colloid Interface Sci 246 (2017) 217.
12.    N Posseme, Plasma Etching Processes for CMOS Devices Realization, Elsevier (2017).
13.    A J Lichtenberg, Principles of plasma discharges and materials processing, Wiley-Interscience (2005).
14.    C Mogab, J. Electrochem. Soc 124 (1977) 1262.
15.    P L Ventzek, S Rauf, and T Sparks, In Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology: CRC Press (2016) 21.
16.    E M Akinoglu and M Giersig, In Encyclopedia of Plasma Technology: CRC Press (2016) 953.
17.    O H Asnaz, H Jung, F Greiner, and A Piel, Phys. Plasmas 24 (2017) 083701.
18.    N Vogel, Surface patterning with colloidal monolayers, Springer Science & Business Media (2012).
19.    T Blättler, A Binkert, M Zimmermann, M Textor, J Vörös, and E Reimhult, Nanotechnology 19 (2008) 075301.
20.    A Plettl et al, Adv. Funct. Mater 19 (2009) 3279.
21.    N Vogel, S Goerres, K Landfester, and C K Weiss, Macromol. Chem. Phys 212 (2011) 1719.
22.    Y Chen et al, Nanomaterials 9 (2019) 605.
23.    M S A Jafari, F Bayat, K Jamshidi-Ghaleh, A R Amani-Ghadim, Macromol. Res 33 (2025) 1709.
24.    Z S Farshi, F Bayat, P Chaghamirzaei, M Jawad, A R. Amani-Ghadim, Microchem. J 208 (2025) 112532.
25.    F Bayat, Z Sadeghi Farshi, A R Amani-Ghadim, K Jamshidi-Ghaleh, Iran. J. Phys. Res 23 (2023) 419.
26.    Z S Farshi and F Bayat, Microchem. J (2025) 11598.
27.    F Bayat, S Ahmadian Kordasht, A R Amani-Ghadim, M Mohammadnejad, Mater. Chem. Phys 299 (2023) 127514.
28.    F Bayat et al, Mater. Chem. Phys 332 (2025) 130206.
29.    N Moreno, Image Processing with ImageJ, Taylor & Francis (2006) 249.
30.    A Sikora et al, Sci. Rep 11 (2021) 9270.

فایل‌های تکمیلی/اضافی

تحت نظارت وف بومی