De mogelijkheid om snel ultrakleine, goed geordende nanopatronen over grote gebieden op materiaaloppervlakken zijn van cruciaal belang voor de fabricage van technologieën van de volgende generatie in veel industrieën, van elektronica en computers tot energie en medicijnen. Bijvoorbeeld, media met patronen, waarin gegevens worden opgeslagen in periodieke arrays van magnetische pilaren of staven, zou de opslagdichtheid van harde schijven aanzienlijk kunnen verbeteren.

Wetenschappers kunnen dunne films van zelfassemblerende materialen, blokcopolymeren genaamd - ketens van chemisch verschillende macromoleculen (polymeer "blokken") die aan elkaar zijn gekoppeld, overhalen tot gewenste nanoschaalpatronen door ze op een substraat te verhitten (uitgloeien). Echter, defecte constructies die afwijken van het reguliere patroon ontstaan ​​al vroeg tijdens de zelfmontage.

De aanwezigheid van deze defecten remt het gebruik van blokcopolymeren bij de nanopatronen van technologieën die een bijna perfecte ordening vereisen, zoals magnetische media, computer chips, antireflecterende oppervlakken, en medische diagnostische apparaten. Met voortgezet gloeien, de blokcopolymeerpatronen kunnen opnieuw worden geconfigureerd om de onvolkomenheden te verwijderen, maar dit proces is buitengewoon traag. De polymeerblokken mengen niet gemakkelijk met elkaar, dus moeten ze een extreem grote energiebarrière overwinnen om opnieuw te configureren.

Kleine dingen toevoegen met een grote impact

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory - hebben een manier bedacht om het bestelproces enorm te versnellen. Ze mengden een lijnvormend blokcopolymeer met aanzienlijk kleinere polymeerketens gemaakt van slechts één type molecuul (homopolymeren) van elk van de twee samenstellende blokken. De elektronenmicroscopiebeelden die ze maakten nadat ze de films slechts een paar minuten hadden uitgegloeid, laten zien dat de toevoeging van deze twee kleinere homopolymeren de grootte van goed geordende lijnpatroongebieden dramatisch vergroot, of 'granen'.

"Zonder de homopolymeren, hetzelfde blokcopolymeer kan geen korrels produceren met deze afmetingen, " zei CFN-materiaalwetenschapper Gregory Doerk, wie leidde het werk, die online werd gepubliceerd in een ACS Nano paper op 1 december. "Het mengen in homopolymeren die minder dan een tiende van de grootte van het blokcopolymeer zijn, versnelt het bestelproces aanzienlijk. In de resulterende lijnpatronen, er is een constante afstand tussen elk van de lijnen, en dezelfde richtingen van lijnpatroonoriëntaties, bijvoorbeeld verticaal of horizontaal-aanhouden over langere afstanden."

Doerk en co-auteur Kevin Yager, leider van de Electronic Nanomaterials Group bij CFN, gebruikte beeldanalysesoftware om de korrelgrootte en herhalingsafstand van de lijnpatronen te berekenen.

Tijdens het mengen van verschillende concentraties homopolymeer om te bepalen hoeveel nodig was om de versnelde volgorde te bereiken, ze ontdekten dat de bestelling sneller ging naarmate er meer homopolymeer werd toegevoegd. Maar te veel homopolymeer resulteerde in feite in ongeordende patronen.

"De homopolymeren versnellen het zelfassemblageproces omdat ze klein genoeg zijn om gelijkmatig over hun respectieve polymeerblokken te verdelen, " zei Doerk. "Hun aanwezigheid verzwakt de interface tussen de twee blokken, het verlagen van de energiebarrière geassocieerd met het opnieuw configureren van het blokcopolymeer om de defecten te verwijderen. Maar als het grensvlak te veel wordt verzwakt door de toevoeging van te veel homopolymeer, dan vermengen de blokken zich, wat resulteert in een volledig wanordelijke fase."

Begeleiden van de zelfassemblage van nuttige nanopatronen in minuten

Om aan te tonen hoe de snelle ordening in het gemengde systeem de zelfassemblage van goed uitgelijnde nanopatronen over grote gebieden zou kunnen versnellen, Doerk en Yager gebruikten lijnpatroonsjablonen die ze eerder hadden gemaakt door middel van fotolithografie. Gebruikt om bijna alle hedendaagse digitale apparaten te bouwen, fotolithografie omvat het projecteren van licht door een masker (een plaat met het gewenste patroon) dat is geplaatst over een wafel (meestal gemaakt van silicium) bedekt met een lichtgevoelig materiaal. Deze sjabloon kan vervolgens worden gebruikt om de zelfassemblage van blokcopolymeren te sturen, die de spaties tussen de sjabloonhulplijnen opvullen. In dit geval, na slechts twee minuten gloeien, het polymeermengsel assembleert zichzelf tot lijnen die over deze openingen zijn uitgelijnd. Echter, na dezelfde gloeitijd, het niet-gemengde blokcopolymeer assembleert zichzelf tot een grotendeels niet-uitgelijnd patroon met veel defecten tussen de openingen.

"De breedte van de openingen is meer dan 80 keer de herhalingsafstand, dus het feit dat we deze mate van afstemming met onze polymeermix hebben gekregen, is echt opwindend omdat het betekent dat we sjablonen met enorme gaten kunnen gebruiken, gemaakt met lithografie met een zeer lage resolutie, " zei Doerk. "Typisch, er is dure lithografieapparatuur met hoge resolutie nodig om blokcopolymeerpatronen over dit grote gebied uit te lijnen."

Om deze patronen bruikbaar te maken voor veel toepassingen van nanopatronen, ze moeten vaak worden overgebracht naar andere, robuustere materialen die bestand zijn tegen zware productieprocessen, bijvoorbeeld etsen, die lagen van siliciumwafeloppervlakken verwijdert om geïntegreerde schakelingen te creëren of de oppervlakken antireflecterend te maken. In dit onderzoek, de wetenschappers hebben de nanopatronen omgezet in een metaaloxide-replica. Door middel van chemisch etsen, ze brachten het replicapatroon vervolgens over in een siliciumdioxidelaag op een siliciumwafel, het bereiken van duidelijk gedefinieerde lijnpatronen.

Doerk vermoedt dat het mengen van homopolymeren met andere blokcopolymeren op vergelijkbare wijze een versnelde assemblage zal opleveren, en hij is geïnteresseerd in het bestuderen van gemengde polymeren die zichzelf assembleren tot meer gecompliceerde patronen. De röntgenverstrooiingscapaciteiten van de National Synchrotron Light Source II - een andere DOE Office of Science User Facility in Brookhaven - zouden de structurele informatie kunnen leveren die nodig is om dergelijke onderzoeken uit te voeren.

"We hebben een zeer eenvoudige en gemakkelijk gecontroleerde manier geïntroduceerd om de zelfassemblage enorm te versnellen, " concludeerde Doerk. "Onze aanpak moet het aantal defecten aanzienlijk verminderen, helpen te voldoen aan de eisen van de halfgeleiderindustrie. Bij CFN, het opent mogelijkheden voor ons om zelfassemblage van blokcopolymeer te gebruiken om enkele van de nieuwe functionele materialen te maken die we voor ogen hebben."