Определение критических температурных режимов лазерной карбонизации и абляции плёнок полиимида различной толщины методом спектральной пирометрии

Развитие методов лазерной карбонизации полимеров открывает широкие возможности для создания элементов гибкой электроники. Однако пока отсутствуют точные данные о технологических режимах лазерного пиролиза, в частности, не установлена оптимальная температура, невозможно обеспечить высокое качество синтезируемых материалов. Исследована зависимость температуры плёнок полиимида толщиной 100 и 200 мкм в области воздействия лазерного излучения с рабочей длиной волны 1064 нм от параметров лазерных импульсов, а также от режимов сканирования скорости движения луча и плотности заполнения растра. Температура определена бесконтактным методом спектральной пирометрии: тепловые спектры зафиксированы малогабаритным спектрометром HR2000+ (Ocean Optics, США) видимого диапазона 350–760 нм и переданы в компьютер для обработки специализированной программой «Spectral Pyrometry». Методом спектральной пирометрии и методом измерения мощности прошедшего излучения определены коэффициенты пропускания исходных плёнок и плёнок, обработанных методом лазерного сканирования. Установлено, что коэффициент пропускания исходных полиимидных плёнок толщиной 100 и 200 мкм на рабочей длине волны лазера составляет 87,0 и 85,5 % соответственно. Показано, что увеличение плотности заполнения растра повышает температуру полиимида в зоне обработки и уменьшает коэффициент пропускания обработанных плёнок. При лазерной обработке плёнок толщиной 100 и 200 мкм в импульсном режиме с плотностью заполнения растра 20 линий/мм коэффициент пропускания уменьшается до 7,5 и 3,0 % соответственно. Установлено, что вдоль линии лазерного сканирования формируется зона термического влияния, в которой наблюдаются изменения микроструктуры поверхности и оптических свойств полиимида. Ширина зоны зависит от режимов лазерного сканирования. Результаты работы будут полезны при подборе оптимальных режимов лазерного воздействия в задачах контролируемого синтеза углеродных структур, например лазерно-индуцированного графена.

1. Georgiev A., Dimov D., Spassova E. et al. Chemical and physical properties of polyimides: biomedical and engineering applications. In book: Polyimides Based – From Chemistry to Applications, Ed. Prof. Marc Abadie, pp. 65–84, InTech Publ. (2012). https://doi.org/10.5772/53918

2. Liaw D., Wang K., Huang Y. et al. Advanced polyimide materials: syntheses, physical properties and applications. Progress in Polymer Science, 37(7), 907–974 (2012). https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2012.02.005 ; https://www.elibrary.ru/pmxfbd

3. Романко О. И., Шаповал В. Н. О связи химического строения и термических свойств полиимидов. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия «Естественные науки», (2), 103–113 (2016). https://doi.org/10.18698/1812-3368-2016-2-103-113 ; https://www.elibrary.ru/vwkvlj

4. Inagaki M., Harada S., Sato T. et al. Carbonization of polyimide film “Kapton”. Carbon, 27(2), 253–257 (1989). https://doi.org/10.1016/0008-6223(89)90131-0

5. Konno H., Shiba K., Kaburagi Y. et al. Carbonization and graphitization of Kapton-type polyimide film having boron-bearing functional groups. Carbon, 39(11), 1731–1740 (2001). https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00304-3 ; https://www.elibrary.ru/aqxrhb

6. Nysten B., Roux J.-C., Flandrois S. et al. AFM and STM studies of the carbonization and graphitization of polyimide films. Physical Review B, 48(17), 12527–12536 (1993). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.12527 ; https://www.elibrary.ru/xozmeh

7. Hatori H., Yamada Y., Shiraishi M. et al. The mechanism of polyimide pyrolysis in the early stage. Carbon, 34(2), 201–208 (1996). https://doi.org/10.1016/0008-6223(96)00189-3 ; https://www.elibrary.ru/akpqfn

8. Tiliakos A., Ceaus C., Iordache S. et al. Morphic transitions of nanocarbons via laser pyrolysis of polyimide films. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 121, 275–286 (2016). https://doi.org/10.1016/j.jaap.2016.08.007

9. Liu J., Ji H., Lv X. et al. Laser-induced graphene (LIG)-driven medical sensors for health monitoring and diseases diagnosis. Microchimica Acta, 189(2), 54 (2022). https://doi.org/10.1007/s00604-021-05157-6 ; https://www.elibrary.ru/lfpxux

10. Claro P. I. C., Pinheiro T., Silvestre S. L. et al. Sustainable carbon sources for green laser-induced graphene: a perspective on fundamental principles, applications, and challenges. Applied Physics Reviews, 9(4), 041305 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0100785 ; https://www.elibrary.ru/rkhqya

11. Huang L., Su J., Song Y. et al. Laser-induced graphene: en route to smart sensing. Nano-Micro Letters, 12, 157 (2020). https://doi.org/10.1007/s40820-020-00496-0 ; https://www.elibrary.ru/HFSSGD

12. Devi M., Wang H., Moon S. et al. Laser-carbonization – a powerful tool for micro-fabrication of patterned electronic carbons. Advanced Materials, 35(38), 2211054 (2023). https://doi.org/10.1002/adma.202211054 ; https://www.elibrary.ru/ejxhow

13. Nathan A., Ahnood A., Cole M. T. et al. Flexible electronics: the next ubiquitous platform. Proc. IEEE, (100), 1486–1517 (2012). https://doi.org/10.1109/jproc.2012.2190168 ; https://www.elibrary.ru/phbwcr

14. Yu H., Gai M., Liu L. et al. Laser-induced direct graphene patterning: from formation mechanism to flexible applications. Soft Science, 3(1), 4 (2023). https://doi.org/10.20517/ss.2022.26 ; https://www.elibrary.ru/ieewvm

15. Толстопятов Е. М. Лазерная абляция полимеров (обзор). Полимерные материалы и технологии, 2(1), 6–20 (2016). https://www.elibrary.ru/webmrn

16. Li G. Direct laser writing of graphene electrodes. Journal of Applied Physics, 127(1), 010901 (2020). https://doi.org/10.1063/1.5120056

17. Магунов А. Н. Спектральная пирометрия. Физматлит, Москва (2012).

18. Магунов А. Н., Лапшинов Б. А., Суворинов А. В. Разработка приборов для измерения температуры объектов с неизвестной излучательной способностью. Инновации, (4), 13–16 (2015). https://www.elibrary.ru/tvxalz

19. Лапшинов Б. А., Суворинов А. В., Тимченко Н. И. Определение температуры излучающего объекта методом спектральной пирометрии. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, (6), 116–119 (2018). https://doi.org/10.22184/1992-4178.2018.177.6.116.119 ; https://www.elibrary.ru/xuwznj

20. Vashisth A., Kowalik M., Gerringer J. C. et al. ReaxFF Simulations of laser-induced graphene (LIG) formation for multifunctional polymer nanocomposites. ACS Applied Nano Materials, 3(2), 1881–1890 (2020). https://doi.org/10.1021/acsanm.9b02524 ; https://www.elibrary.ru/ugriow

21. Avinash K., Patolsky F. Laser-induced graphene structures: from synthesis and applications to future prospects. Materials Today, (70), 104–136 (2023). https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.10.009 ; https://www.elibrary.ru/nqtbnl

22. Pavlov S. V. Defect engineering in laser-induced graphene (LIG) through temperature control: a reactive molecular dynamics study. Molecules, 30(22), 4344 (2025). https://doi.org/10.3390/molecules30224344 ; https://www.elibrary.ru/kfynid

23. Тимченко Н. И. Spectral Pyrometry V.3.1: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2016661057. Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем, № 10 (2016). https://www.elibrary.ru/ateznl

24. Wang H., Zhao Z., Liu P. et al. A soft and stretchable electronics using laser-induced graphene on polyimide/PDMS composite substrate. Flexible Electronics, 6(1), 26 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00161-z ; https://www.elibrary.ru/bzzgfw

25. Матвеев Е. В., Гайдар А. И., Лапшинов Б. А., Берестов В. В. Исследование микроструктурных изменений в объеме полиимидных плёнок при воздействии лазера с длиной волны 1,06 мкм. Перспективные материалы, (12), 60–72 (2025). https://doi.org/10.30791/1028-978X-2025-12-60-72 ; https://www.elibrary.ru/scyzam