(Phys.org)—Technologieën zoals micro-elektronica en lithografie vereisen polymeerfilms op nanoschaal die bovenop verschillende andere materialen zitten. Een goed begrip van het samenspel tussen de dynamiek van de dunne film en het onderliggende substraat is cruciaal bij het bepalen van de geschikte materialen die moeten worden gebruikt voor nieuwe en verbeterde toepassingen. Recente experimenten bij de Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Argonne National Laboratory bieden nieuwe inzichten in de dynamiek van dunne polymeerfilms die op verschillende substraten zitten en het belang van filmdikte en ondersteunende materiaaleigenschappen op de oppervlaktedynamiek van dunne polymeerfilms.

Apparaten die gebruik maken van dergelijke lagen hebben deze cruciale kennis nodig om de juiste materialen oordeelkundig te kunnen kiezen. Het selecteren van een polymeer op basis van bulkeigenschappen alleen is niet voldoende bij het werken met lagen waarvan de dikte wordt gemeten in nanometers.

Bijvoorbeeld, als een bepaald polymeer wordt gekozen als coating voor micro-elektronica, maar aanzienlijk stijver of zachter wordt wanneer het wordt gefabriceerd in lagen op nanoschaal, het werkt mogelijk niet meer zoals verwacht.

Wanneer polymeerfilms beperkt zijn tot de nanoschaal, eigenschappen zoals de glasovergangstemperatuur (T _G ), smelttemperatuur, of een mate van stijfheid zoals de elasticiteitsmodulus kan grote verschuivingen vertonen ten opzichte van de manier waarop deze eigenschappen zich normaal gedragen in grotere maten. Deze verschuivingen worden geacht voort te komen uit interfaces, waar de dynamiek sneller is aan het polymeer-lucht-interface (het vrije oppervlak genoemd) en langzamer aan het polymeer-substraat-interface waar interacties worden veroorzaakt door aantrekking in tegenstelling tot adhesie, zoals waterstofbruggen, zijn aanwezig.

De meest bestudeerde nanoconfined film is polystyreen (PS), die een afnemende glasovergangstemperatuur vertoont naarmate de filmdikte afneemt, omdat het vrije oppervlak zeer mobiel is en het polymeer geen substantiële aantrekkelijke interacties vertoont met het ondersteunende substraat. Hoewel T _G veranderingen aan nanometer dik polystyreen zijn goed gedocumenteerd, andere eigenschappen, zoals de dynamiek, moet worden overwogen bij het vervaardigen van materialen op nanoschaal.

Om dergelijke beperkte films in meer detail te bestuderen, de onderzoekers in deze studie van de Northwestern University en Argonne gebruikten X-ray Science Division-bundellijn 8-ID-I bij de APS om thermisch geïnduceerde capillaire golven op de oppervlakken van polystyreenfilms te meten.

De onderzoekers gebruikten röntgenfotoncorrelatiespectroscopie (XPCS), wat ideaal is voor het onderzoeken van oppervlaktedynamiek omdat röntgenstralen van de APS kunnen worden afgestemd om alleen in de bovenste ~ 10 nm van een film door te dringen.

Met XPCS, de onderzoekers maten constant fluctuerende capillaire golven op het oppervlak van een polystyreenfilm die was verwarmd tot een temperatuur boven de T _G van het polymeer.

De onderzoekers konden de rol ontdekken die polystyreen-filmdikte en substraatmodulus spelen op de dynamiek van capillaire oppervlaktegolfrelaxatietijden.

Uit metingen genomen 10° boven de polystyreen glasovergangstemperatuur, de relaxatietijden van capillaire golven aan het oppervlak bleken ordes van grootte te overspannen wanneer de PS op substraten werd geplaatst met moduluswaarden variërend van ~1 MPa tot> 100 Gpa.

Snellere oppervlaktedynamiek werd waargenomen op zachtere substraten, zelfs voor films dikker dan 100 nm. Deze dikte is groot genoeg dat PS geen T . laat zien _G opsluiting effecten, maar vertoont substraatmodulus-effecten. Dit resultaat illustreert dat T _G en stijfheid kan op een heel andere manier worden beïnvloed wanneer de polymeerfilm beperkt is tot de nanoschaal.

Een tweede bevinding van deze studie was dat dunnere PS-films langzamere oppervlaktegolfrelaxaties hebben dan dikkere films voor een bepaald substraat. interessant, de effecten van substraatmodulus en laagdikte verdwijnen wanneer metingen werden gedaan 40° graden boven de T _G van PS, waaruit blijkt dat meettemperatuur een cruciale rol speelt in opsluitingsstudies.

Toekomstig werk van deze onderzoekers zal kijken naar de dynamiek van dunne films waaraan vulstoffen zoals nanodeeltjes of weekmakers zijn toegevoegd om hun eigenschappen te wijzigen.