Dynamik af polymerkæder oven på forskellige materialer

(Phys.org) – Teknologier som mikroelektronik og litografi kræver polymerfilm i nanoskala, der sidder oven på forskellige andre materialer. En forståelse af samspillet mellem dynamikken i den tynde film og det underliggende substrat er afgørende for at bestemme de passende materialer, der skal bruges til nye og forbedrede applikationer. Nylige eksperimenter ved US Department of Energy Office of Science's Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory giver ny indsigt i dynamikken i tynde polymerfilm, der sidder på forskellige substrater og vigtigheden af ​​filmtykkelse og understøttende materialeegenskaber på overfladedynamikken af tynde polymerfilm.

Enheder, der gør brug af sådanne lag, kræver denne afgørende viden, så passende materialer kan vælges med omtanke. At vælge en polymer baseret på bulk egenskaber alene er ikke tilstrækkeligt, når man arbejder med lag, hvis tykkelse måles i nanometer.

For eksempel, hvis en bestemt polymer vælges som en mikroelektronikbelægning, men bliver væsentligt stivere eller blødere, når den fremstilles i lag i nanoskala, den fungerer muligvis ikke længere som forventet.

Når polymerfilm er begrænset til nanoskalaen, egenskaber såsom glasovergangstemperaturen (T _g ), smeltetemperatur, eller et mål for stivhed, såsom elasticitetsmodulet, kan udvise store skift fra den måde, hvorpå disse egenskaber normalt opfører sig i større størrelser. Disse skift forstås at opstå fra grænseflader, hvor dynamikken er hurtigere ved polymer-luft-grænsefladen (kaldet den frie overflade) og langsommere ved polymer-substrat-grænsefladen, hvor interaktioner forårsaget af tiltrækning i modsætning til adhæsion, såsom hydrogenbinding, er til stede.

Den mest almindeligt undersøgte nanobundne film er polystyren (PS), som viser en faldende glasovergangstemperatur, efterhånden som filmtykkelsen falder, fordi den frie overflade er meget mobil, og polymeren ikke udviser væsentlige attraktive interaktioner med det understøttende substrat. Selvom T _g ændringer i nanometertyk polystyren er veldokumenterede, andre ejendomme, såsom dynamikken, skal tages i betragtning ved fremstilling af materialer på nanoskala.

For at studere sådanne afgrænsede film mere detaljeret, forskerne i denne undersøgelse fra Northwestern University og Argonne brugte X-ray Science Division beamline 8-ID-I ved APS til at måle termisk inducerede kapillærbølger ved overfladerne af polystyrenfilm.

Forskerne brugte røntgenfoton-korrelationsspektroskopi (XPCS), som er ideel til at sondere overfladedynamik, fordi røntgenstråler fra APS kan indstilles til kun at trænge ind i de øverste ~10 nm af en film.

Med XPCS, forskerne målte konstant fluktuerende kapillærbølger på overfladen af ​​en polystyrenfilm, der var blevet opvarmet til en temperatur over T _g af polymeren.

Forskerne var i stand til at opdage den rolle, som polystyren-filmtykkelse og substratmodul spillede på dynamikken i overfladekapillærbølgerelaksationstider.

Fra målinger taget 10° over overgangstemperaturen for polystyrenglas, overfladekapillærbølgerelaksationstider blev fundet at spænde over størrelsesordener, når PS blev placeret på substrater med modulværdier fra ~1 MPa til> 100 GPa.

Hurtigere overfladedynamik blev observeret på blødere substrater selv for film tykkere end 100 nm. Denne tykkelse er stor nok til, at PS ikke viser noget T _g indeslutningsvirkninger, men viser substratmoduleffekter. Dette resultat illustrerer, at T _g og stivhed kan påvirkes på en meget anderledes måde, når polymerfilmen er begrænset til nanoskalaen.

Et andet fund af denne undersøgelse var, at tyndere PS-film har langsommere overfladebølgerelaksationer end tykkere film for et givet substrat. Interessant nok, virkningerne af substratmodul og filmtykkelse forsvinder, når målinger blev taget 40° grader over T _g af PS, viser, at måling af temperatur spiller en afgørende rolle i indeslutningsundersøgelser.

Fremtidigt arbejde af disse forskere vil se på dynamikken i tynde film, der har fyldstoffer såsom nanopartikler eller blødgørere tilsat for at ændre deres egenskaber.