ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-1-1-9ntv-249Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGИсследование силиконовой пленки, осажденной на поверхность кварцевого стекла под действием лазерного излученияA study of a silicone film deposited on quartz glass under laser radiationhttps://orcid.org/0000-0001-8733-4860БеликовА. В.BelikovA. V.

Беликов Андрей Вячеславович — доктор физико-математических наук, профессор, профессор

sc 7005600018

Санкт-Петербург, 197101

Andrey V. Belikov — D.Sc., Full Professor

sc 7005600018

Saint Petersburg, 197101

volnagdg@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5461-783XКлочковИ. С.KlochkovI. S.

Клочков Иван Сергеевич — аспирант; научный сотрудник

sc 57224086250

Санкт-Петербург, 197101

Санкт-Петербург, 190020

Ivan S. Klochkov — PhD Student; Scientific Researcher

sc 57224086250

Saint Petersburg, 197101

Saint Petersburg, 190020

Vany-nov13@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4368-9309АлексеевИ. В.AlekseevI. V.

Алексеев Иван Владимирович — ведущий инженер

Санкт-Петербург, 190020

Ivan V. Alekseev — Lead Engineer

Saint Petersburg, 190020

El.magio@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3393-4948КапраловС. А.KapralovS. A.

Капралов Сергей Анатольевич — кандидат технических наук, начальник отдела

Великий Новгород, 173003

Sergey A. Kapralov — PhD, Head of Section

Veliky Novgorod, 173003

kapralov_sa@npkspp.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationУниверситет ИТМО; АО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения»РоссияITMO University; Joint Stock Company “Research and Production Corporation “Precision Systems and Instruments”Russian FederationАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения»РоссияJoint Stock Company “Research and Production Corporation “Precision Systems and Instruments”Russian Federation20221612202422119Copyright © Беликов А.В., Клочков И.С., Алексеев И.В., Капралов С.А., 20242024Беликов А.В., Клочков И.С., Алексеев И.В., Капралов С.А.Belikov A.V., Klochkov I.S., Alekseev I.V., Kapralov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/249

Предмет исследования. Исследованы структура, оптические и эксплуатационные свойства силиконовой пленки, нанесенной на поверхность кварцевого стекла в результате действия лазерного излучения на летучие компоненты, которые выделяются из образца силиконовой резины в замкнутом объеме. Метод. Исследование выполнено в рамках лазерного многопараметрического метода с помощью оригинальной установки, в состав которой входит твердотельный неодимовый лазер с длиной волны 1064 нм и параметрами лазерного импульса: энергией — 105 мДж, длительностью 11–14 нс и частотой следования 10 Гц. В эксперименте на выходе лазерного излучателя расположена герметичная тест-кювета, внутри которой размещен образец силиконовой резины. При прохождении лазерного излучения через внутренний объем тест-кюветы происходит взаимодействие летучих компонентов, выделенных из образца, с лазерным излучением. В результате процесса лазерно-индуцированного осаждения на оптических элементах тест-кюветы образуются зоны осаждения. Топология зон осаждения определена с помощью профилометра. Сравнение структурного состава исходного образца с продуктами осаждения выполнено с использованием сканирующего электронного микроскопа. Основные результаты. Получены зависимости коэффициентов площади зоны осаждения и ослабления от температуры и количества лазерных импульсов. Исследованы элементный состав, цвет, устойчивость к действию растворителя и толщина зон осаждения. Установлено, что с ростом температуры и количества лазерных импульсов коэффициенты площади и ослабления зон осаждения увеличиваются, цвет не изменяется, а устойчивость к действию растворителя возрастает. С ростом температуры зона осаждения, первоначально состоящая из микрофрагментов, становится сплошной, а с ростом количества лазерных импульсов ее толщина увеличивается. Толщина зоны осаждения неравномерно распределена относительно центра. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть применены при разработке содержащих силикон биочипов для диагностики и терапии состояния здоровья человека.

The paper studies the structure, optical and operational properties of a silicone film deposited on the surface of quartz glass as a result of the action of laser radiation on volatile substances released from a silicone rubber sample in a closed volume. The research was carried out within the framework of the laser multiparameter method and using an original setup, which includes a solid-state neodymium laser with a wavelength of 1064 nm, and laser pulse parameters: energy of 1 05 mJ, a duration of 11–14 ns, a repetition rate of 10 Hz. A sealed test-cuvette is placed at the output of the laser. A silicone rubber sample is placed inside the test-cuvette. When laser radiation passes through the test-cuvette, volatile substances that are released from the sample over time interact with the laser radiation and create deposition zones on the optical elements of the test-cuvette, which affect the optical characteristics of these optical elements. The topology of the deposition zones was studied using a profilometer. The structural composition of the original silicone rubber and the deposition zone was determined using a scanning electron microscope. The main results show the dependences of the coefficients of the area and attenuation of the deposition zone on the temperature and the number of laser pulses. The elemental composition, color, resistance to the action of the solvent, and the thickness of the deposition zones have been investigated. It was found that with an increase in the temperature and the number of laser pulses, the area and attenuation coefficients of the deposition zones increase, the color does not change, and the resistance to the action of the solvent increases. With an increase in temperature, the deposition zone, initially consisting of micro-fragments, becomes continuous, and with an increase in the number of laser pulses, its thickness increases. The thickness of the deposition zone is unevenly distributed along its diameter. The results obtained can be applied in the development of silicone-containing biochips for health diagnostics and therapy.

лазерный многопараметрический методгерметичный объемтест-кюветакоэффициент ослаблениязона осаждениясиликоновая резинаlaser multiparameter methodsealed volumetest-cuvetteattenuationdeposition zonesilicone rubberReferencesKamaly N., Yameen B., Wu J., Farokhzad O.C. Degradable controlled-release polymers and polymeric nanoparticles: mechanisms of controlling drug release // Chemical Reviews. 2016. V. 116. N 4. P. 2602–2663. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00346Kamaly N., Yameen B., Wu J., Farokhzad O.C. Degradable controlled-release polymers and polymeric nanoparticles: mechanisms of controlling drug release // Chemical Reviews. 2016. V. 116. N 4. P. 2602–2663. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00346Barkalina N., Charalambous C., Jones C., Coward K. Nanotechnology in reproductive medicine: emerging applications of nanomaterials // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2014. V. 10. N 5. P. e921–e938. https://doi.org/10.1016/j.nano.2014.01.001Barkalina N., Charalambous C., Jones C., Coward K. Nanotechnology in reproductive medicine: emerging applications of nanomaterials // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2014. V. 10. N 5. P. e921–e938. https://doi.org/10.1016/j.nano.2014.01.001Furth M.E., Atala A., Van Dyke M.E. Smart biomaterials design for tissue engineering and regenerative medicine // Biomaterials. 2007. V. 28. N 34. P. 5068–5073. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2007.07.042Furth M.E., Atala A., Van Dyke M.E. Smart biomaterials design for tissue engineering and regenerative medicine // Biomaterials. 2007. V. 28. N 34. P. 5068–5073. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2007.07.042Gandhi A., Paul A., Sen S.O., Kumar K.S. Studies on thermoresponsive polymers: Phase behaviour, drug delivery and biomedical applications // Asian Journal of Pharmaceutical Sciences. 2015. V. 10. N 2. P. 99–107. https://doi.org/10.1016/j.ajps.2014.08.010Gandhi A., Paul A., Sen S.O., Kumar K.S. Studies on thermoresponsive polymers: Phase behaviour, drug delivery and biomedical applications // Asian Journal of Pharmaceutical Sciences. 2015. V. 10. N 2. P. 99–107. https://doi.org/10.1016/j.ajps.2014.08.010Suhardi V.J., Bichara D.A., Kwok S.J.J., Freiberg A.A., Rubash H., Malchau H., Yun S.H., Muratoglu O.K., Oral E. A fully functional drug-eluting joint implant // Nature Biomedical Engineering. 2017. V. 1. N. 6. P. 0080. https://doi.org/10.1038/s41551-017-0080Suhardi V.J., Bichara D.A., Kwok S.J.J., Freiberg A.A., Rubash H., Malchau H., Yun S.H., Muratoglu O.K., Oral E. A fully functional drug-eluting joint implant // Nature Biomedical Engineering. 2017. V. 1. N. 6. P. 0080. https://doi.org/10.1038/s41551-017-0080Masood F. Polymeric nanoparticles for targeted drug delivery system for cancer therapy // Materials Science and Engineering: C. 2016. V. 60. P. 569–578. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.11.067Masood F. Polymeric nanoparticles for targeted drug delivery system for cancer therapy // Materials Science and Engineering: C. 2016. V. 60. P. 569–578. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.11.067Ulbrich K., Holá K., Šubr V., Bakandritsos A., Tuček J., Zbořil R. Targeted drug delivery with polymers and magnetic nanoparticles: covalent and noncovalent approaches, release control, and clinical studies // Chemical Reviews. 2016. V. 116. N 9. P. 5338–5431. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00589Ulbrich K., Holá K., Šubr V., Bakandritsos A., Tuček J., Zbořil R. Targeted drug delivery with polymers and magnetic nanoparticles: covalent and noncovalent approaches, release control, and clinical studies // Chemical Reviews. 2016. V. 116. N 9. P. 5338–5431. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00589Soppimath K.S., Aminabhavi T.M., Kulkarni A.R., Rudzinski W.E. Biodegradable polymeric nanoparticles as drug delivery devices // Journal of Controlled Release. 2001. V. 70. N 1-2. P. 1–20. https://doi.org/10.1016/S0168-3659(00)00339-4Soppimath K.S., Aminabhavi T.M., Kulkarni A.R., Rudzinski W.E. Biodegradable polymeric nanoparticles as drug delivery devices // Journal of Controlled Release. 2001. V. 70. N 1-2. P. 1–20. https://doi.org/10.1016/S0168-3659(00)00339-4Mokhtarzadeh A., Alibakhshi A., Hejazi M., Omidi Y., Ezzati Nazhad Dolatabadi J. Bacterial-derived biopolymers: Advanced natural nanomaterials for drug delivery and tissue engineering // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2016. V. 82. P. 367–384. https://doi.org/10.1016/j.trac.2016.06.013Mokhtarzadeh A., Alibakhshi A., Hejazi M., Omidi Y., Ezzati Nazhad Dolatabadi J. Bacterial-derived biopolymers: Advanced natural nanomaterials for drug delivery and tissue engineering // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2016. V. 82. P. 367–384. https://doi.org/10.1016/j.trac.2016.06.013Luo D., Gould D.J., Sukhorukov G.B. Local and sustained activity of doxycycline delivered with layer-by-layer microcapsules // Biomacromolecules. 2016. V. 17. N 4. P. 1466–1476. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.6b00070Luo D., Gould D.J., Sukhorukov G.B. Local and sustained activity of doxycycline delivered with layer-by-layer microcapsules // Biomacromolecules. 2016. V. 17. N 4. P. 1466–1476. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.6b00070Wang C., Zhang G., Liu G., Hu J., Liu S. Photo-and thermoresponsive multicompartment hydrogels for synergistic delivery of gemcitabine and doxorubicin // Journal of Controlled Release. 2017. V. 259. P. 149–159. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2016.11.007Wang C., Zhang G., Liu G., Hu J., Liu S. Photo-and thermoresponsive multicompartment hydrogels for synergistic delivery of gemcitabine and doxorubicin // Journal of Controlled Release. 2017. V. 259. P. 149–159. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2016.11.007Sukhorukov G.B., Donath E., Lichtenfeld H., Knippel E., Knippel M., Budde A., Möhwald H. Layer-by-layer self assembly of polyelectrolytes on colloidal particles // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 1998. V. 137. N 1-3. P. 253–266. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(98)00213-1Sukhorukov G.B., Donath E., Lichtenfeld H., Knippel E., Knippel M., Budde A., Möhwald H. Layer-by-layer self assembly of polyelectrolytes on colloidal particles // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 1998. V. 137. N 1-3. P. 253–266. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(98)00213-1Dhoot N.O., Wheatley M.A. Microencapsulated liposomes in controlled drug delivery: strategies to modulate drug release and eliminate the burst effect // Journal of Pharmaceutical Sciences. 2003. V. 92. N 3. P. 679–689. https://doi.org/10.1002/jps.19104Dhoot N.O., Wheatley M.A. Microencapsulated liposomes in controlled drug delivery: strategies to modulate drug release and eliminate the burst effect // Journal of Pharmaceutical Sciences. 2003. V. 92. N 3. P. 679–689. https://doi.org/10.1002/jps.19104Gai M., Frueh J., Kudryavtseva V.L., Mao R., Kiryukhin M.V., Sukhorukov G.B. Patterned microstructure fabrication: polyelectrolyte complexes vs polyelectrolyte multilayers // Scientific Reports. 2016. V. 6. P. 37000. https://doi.org/10.1038/srep37000Gai M., Frueh J., Kudryavtseva V.L., Mao R., Kiryukhin M.V., Sukhorukov G.B. Patterned microstructure fabrication: polyelectrolyte complexes vs polyelectrolyte multilayers // Scientific Reports. 2016. V. 6. P. 37000. https://doi.org/10.1038/srep37000Gai M., Frueh J., Tao T., Petrov A.V., Shesterikov E.V., Tverdokhlebov S.I., Sukhorukov G.B. Polylactic acid nanoand microchamber arrays for encapsulation of small hydrophilic molecules featuring drug release via high intensity focused ultrasound // Nanoscale. 2017. V. 9. N 21. P. 7063–7070. https://doi.org/10.1039/C7NR01841JGai M., Frueh J., Tao T., Petrov A.V., Shesterikov E.V., Tverdokhlebov S.I., Sukhorukov G.B. Polylactic acid nanoand microchamber arrays for encapsulation of small hydrophilic molecules featuring drug release via high intensity focused ultrasound // Nanoscale. 2017. V. 9. N 21. P. 7063–7070. https://doi.org/10.1039/C7NR01841JБеликов А.В., Клочков И.С., Алексеев И.В., Капралов С.А. Лазерный многопараметрический метод входного контроля монтажных элементов, используемых в объеме герметичных неодимовых лазерных излучателей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 2. С. 154–162. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-2-154-162Belikov A.V., Klochkov I.S., Alekseev I.V., Kapralov S.A. Laser multiparameter method for incoming inspection of the mounting elements used in the volume of sealed neodymium laser emitters. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2021, vol. 21, no. 2, pp. 154–162. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-2-154-162Schneider C.W., Lippert T. Laser ablation and thin film deposition // Springer Series in Materials Science. 2010. V. 139. P. 89–112. https://doi.org/10.1007/978-3-642-13281-0_5Schneider C.W., Lippert T. Laser ablation and thin film deposition // Springer Series in Materials Science. 2010. V. 139. P. 89–112. https://doi.org/10.1007/978-3-642-13281-0_5Krebs H.-U., Weisheit M., Faupel J., Süske E., Scharf T., Fuhse C., Störmer M., Sturm K., Seibt M., Kijewski H., Nelke D., Panchenko E., Buback M. Pulsed laser deposition (PLD) — a versatile thin film technique // Advances in Solid State Physics. 2003. V. 43. P. 505–518. https://doi.org/10.1007/978-3-540-44838-9_36Krebs H.-U., Weisheit M., Faupel J., Süske E., Scharf T., Fuhse C., Störmer M., Sturm K., Seibt M., Kijewski H., Nelke D., Panchenko E., Buback M. Pulsed laser deposition (PLD) — a versatile thin film technique // Advances in Solid State Physics. 2003. V. 43. P. 505–518. https://doi.org/10.1007/978-3-540-44838-9_36Dler A. Thin film deposition processes // International Journal of Modern Physics and Applications. 2015. V. 1. N. 4. P. 193–199.Dler A. Thin film deposition processes // International Journal of Modern Physics and Applications. 2015. V. 1. N. 4. P. 193–199.Wasa K., Kitabatake M., Adechi H. Thin film materials technology: Sputtering of compound materials. Walliam Andrew Inc, 2004. P. 1.Wasa K., Kitabatake M., Adechi H. Thin film materials technology: Sputtering of compound materials. Walliam Andrew Inc, 2004. P. 1.Фоминский В.Ю., Романов Р.И., Неволин В.Н., Гнедовец А.Г. Особенности формирования тонкопленочных слоев металлооксида в газо-сенсорной структуре Pt/WOx/SiC методом импульсного лазерного осаждения // Перспективные материалы. 2011. № 2. С. 5–16.Fominski V.Yu., Romanov R.I., Nevolin V.N., Gnedovets A.G. Features of metal oxide thin film formation in Pt/WOx/SiC gas sensor device by pulsed laser deposition. Perspektivnye materialy, 2011, no. 2, pp. 5–16. (in Russian)Кулинич С.А., Yamaki T., Miyazoe H., Yamamoto H., Terashima K. Влияние температуры подложки и скорости осаждения на начальный рост тонких пленок ниобата-танталата лития, полученных методом термальной плазмы // Физика твердого тела. 2006. Т. 48. № 5. С. 850–857.Kulinich S.A., Yamaki T., Miyazoe H., Yamamoto H., Terashima K. Effect of the substrate temperature and deposition rate on the initial growth of thin lithium niobate-tantalate films deposited from a thermal plasma. Physics of the Solid State, 2006, vol. 48, no. 5, pp. 904–911. https://doi.org/10.1134/S1063783406050155Цаплин С.В., Болычев С.А. Исследование динамики осаждения конденсированных продуктов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. Т. 14. № 3. С. 109–121. https://doi.org/10.18287/1998-6629-2014-0-3(45)-109-121Tsaplin S.V., Bolychev S.A. Research of the dynamics of condensed product deposition. Vestnik of Samara University Aerospace and Mechanical Engineering, 2014, vol. 14, no. 3, pp. 109–121. (in Russian). https://doi.org/10.18287/1998-6629-2014-0-3(45)-109-121Пупань Л.И. Изучение структуры материалов методом электронной микроскопии: методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Введение в нанотехнологии» / НТУ «Харьковский политехнический институт». Харьков, 2011. 35 с.Pupan L.I. The study of material structure by electron microscopy: guidelines for laboratory research on the course “Introduction to nanotechnologies”. Kharkiv, Kharkiv Polytechnic Institute, 2011, 35 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.