Fremskynder selvsamling af nanoskala mønstre til næste generations materialer

Evnen til hurtigt at generere ultra-små, velordnede nanopatroner over store områder på materialeflader er afgørende for fremstilling af næste generations teknologier i mange brancher, fra elektronik og computing til energi og medicin. For eksempel, mønstrede medier, hvor data lagres i periodiske arrays af magnetiske søjler eller søjler, kunne forbedre lagertætheden på harddiske betydeligt.

Forskere kan lokke tynde film af selvsamlende materialer kaldet blokcopolymerer-kæder af kemisk adskilte makromolekyler (polymer "blokke") forbundet sammen-til ønskede nanoskala-mønstre ved opvarmning (annealing) af dem på et substrat. Imidlertid, defekte strukturer, der afviger fra det normale mønster, dukker tidligt op under selvsamling.

Tilstedeværelsen af ​​disse defekter hæmmer brugen af ​​blokcopolymerer i nanopattering af teknologier, der kræver en næsten perfekt bestilling - såsom magnetiske medier, computerchips, antireflekterende overflader, og medicinsk diagnostisk udstyr. Med fortsat glødning, blokcopolymermønstrene kan omkonfigureres for at fjerne ufuldkommenhederne, men denne proces er ekstremt langsom. Polymerblokkene blandes ikke let med hinanden, så de skal overvinde en ekstremt stor energibarriere for at omkonfigurere.

Tilføjelse af små ting med stor indflydelse

Nu, forskere fra Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility på Brookhaven National Laboratory - er kommet på en måde til massivt at fremskynde bestillingsprocessen. De blandede en line-dannende blokcopolymer med betydeligt mindre polymerkæder fremstillet af kun én type molekyle (homopolymerer) fra hver af de to bestanddele. Elektronmikroskopibillederne, de tog efter at have glødet filmene i kun et par minutter, viser, at tilføjelsen af ​​disse to mindre homopolymerer dramatisk øger størrelsen på velordnede linjemønsterområder, eller "korn".

"Uden homopolymerer, den samme blokcopolymer kan ikke producere korn med disse størrelser, "sagde CFN -materialeforsker Gregory Doerk, der ledede arbejdet, som blev offentliggjort online i en ACS Nano papir den 1. december "Blanding i homopolymerer, der er mindre end en tiendedel af blokcopolymerens størrelse, fremskynder i høj grad bestillingsprocessen. I de resulterende linjemønstre, der er en konstant afstand mellem hver af linjerne, og de samme retninger for linjemønsterorienteringer-f.eks. lodret eller vandret - vedvarer over længere afstande. "

Doerk og medforfatter Kevin Yager, leder af Electronic Nanomaterials Group på CFN, brugte billedanalysesoftware til at beregne kornstørrelsen og gentag afstanden mellem linjemønstrene.

Mens man blander forskellige koncentrationer af homopolymer for at bestemme, hvor meget der var nødvendigt for at opnå den accelererede bestilling, de opdagede, at bestillingen øgede, efterhånden som mere homopolymer blev tilføjet. Men for meget homopolymer resulterede faktisk i uordnede mønstre.

"Homopolymererne fremskynder selvmonteringsprocessen, fordi de er små nok til ensartet at fordele sig i deres respektive polymerblokke, "sagde Doerk." Deres tilstedeværelse svækker grænsefladen mellem de to blokke, sænkning af energibarrieren forbundet med blokcopolymeren, der omkonfigureres for at fjerne defekterne. Men hvis grænsefladen svækkes for meget ved tilsætning af for meget homopolymer, så blander blokke sig sammen, hvilket resulterer i en fuldstændig uordnet fase. "

Vejledning for selvsamling af nyttige nanopatroner på få minutter

For at demonstrere, hvordan den hurtige bestilling i det blandede system kunne fremskynde selvsamlingen af ​​veljusterede nanopatroner over store områder, Doerk og Yager brugte liniemønster-skabeloner, de tidligere havde udarbejdet gennem fotolitografi. Bruges til at bygge næsten alle dagens digitale enheder, fotolitografi indebærer at projicere lys gennem en maske (en plade indeholdende det ønskede mønster), der er placeret over en skive (normalt lavet af silicium) overtrukket med et lysfølsomt materiale. Denne skabelon kan derefter bruges til at styre selvsamlingen af ​​blokcopolymerer, som udfylder mellemrummene mellem skabelonguiderne. I dette tilfælde, efter kun to minutters glødning, polymerblandingen samler sig selv til linjer, der er justeret på tværs af disse huller. Imidlertid, efter samme glødetid, den ublenderede blokcopolymer samler sig selv til et stort set ujusteret mønster med mange defekter mellem hullerne.

"Mellemrummets bredde er mere end 80 gange gentagelsesafstanden, så det faktum, at vi fik denne grad af tilpasning til vores polymerblanding, er virkelig spændende, fordi det betyder, at vi kan bruge skabeloner med store huller, skabt med litografi med meget lav opløsning, "sagde Doerk." Typisk, dyrt litografiudstyr i høj opløsning er nødvendigt for at justere blokcopolymermønstre over dette store område. "

For at disse mønstre er nyttige til mange nanopatterning -applikationer, de skal ofte overføres til andre mere robuste materialer, der kan modstå hårde fremstillingsprocesser - f.eks. ætsning, som fjerner lag fra siliciumskiveoverflader for at skabe integrerede kredsløb eller gøre overfladerne antireflekterende. I dette studie, forskerne konverterede nanopatterne til en metaloxidreplika. Gennem kemisk ætsning, de overførte derefter kopimønsteret til et siliciumdioxidlag på en siliciumskive, opnå klart definerede linjemønstre.

Doerk formoder, at blanding af homopolymerer med andre blokcopolymerer på samme måde vil give accelereret samling, og han er interesseret i at studere blandede polymerer, der selvsamler sig til mere komplicerede mønstre. Røntgenspredningsmulighederne på National Synchrotron Light Source II-en anden DOE Office of Science User Facility i Brookhaven-kunne levere de nødvendige strukturelle oplysninger til at gennemføre sådanne undersøgelser.

"Vi har introduceret en meget enkel og let kontrolleret måde til en enorm acceleration af selvmontering, "konkluderede Doerk." Vores tilgang bør reducere antallet af fejl væsentligt, hjælper med at imødekomme kravene fra halvlederindustrien. Hos CFN, det åbner muligheder for os at bruge blokcopolymer selvmontering til at lave nogle af de nye funktionelle materialer, som vi forestiller os. "