Izquierda:Esquema que muestra la geometría de dispersión bajo la cual se llevaron a cabo las mediciones de XPCS. Derecha:tiempo de relajación en función del vector de onda de dispersión en el plano medido a partir de una película de PS de 30 nm de espesor depositada sobre sustratos de diferente módulo.
(Phys.org) —Tecnologías como la microelectrónica y la litografía requieren películas de polímero a nanoescala que se asientan sobre varios otros materiales. La comprensión de la interacción entre la dinámica de la película delgada y el sustrato subyacente es crucial para determinar los materiales apropiados que se utilizarán para aplicaciones nuevas y mejoradas. Experimentos recientes en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. En el Laboratorio Nacional de Argonne brindan nuevos conocimientos sobre la dinámica de las películas delgadas de polímero que se asientan sobre varios sustratos y la importancia del espesor de la película y las propiedades del material de soporte en la dinámica de la superficie de películas delgadas de polímero.
Los dispositivos que hacen uso de tales capas requieren este conocimiento crucial para que los materiales apropiados puedan elegirse con criterio. La selección de un polímero basándose únicamente en las propiedades a granel no es adecuado cuando se trabaja con capas cuyo espesor se mide en nanómetros.
Por ejemplo, si se elige un polímero en particular como recubrimiento microelectrónico pero se vuelve sustancialmente más rígido o más blando cuando se fabrica en capas a nanoescala, puede que ya no funcione como se esperaba.
Cuando las películas de polímero se limitan a la nanoescala, propiedades tales como la temperatura de transición vítrea (T gramo ), Temperatura de fusión, o una medida de rigidez, como el módulo elástico, puede presentar grandes cambios en la forma en que estas propiedades se comportan normalmente en tamaños más grandes. Se entiende que estos cambios surgen de interfaces, donde la dinámica es más rápida en la interfaz polímero-aire (llamada superficie libre) y más lenta en la interfaz polímero-sustrato donde las interacciones causadas por la atracción en oposición a la adhesión, como el enlace de hidrógeno, están presentes.
La película nanoconfinida más comúnmente estudiada es el poliestireno (PS), que muestra una temperatura de transición vítrea decreciente a medida que disminuye el espesor de la película porque la superficie libre es muy móvil y el polímero no exhibe interacciones atractivas sustanciales con el sustrato de soporte. Aunque T gramo los cambios en el poliestireno de nanómetros de espesor están bien documentados, otras propiedades, como la dinámica, debe tenerse en cuenta al fabricar materiales a nanoescala.
Para estudiar películas tan limitadas con mayor detalle, Los investigadores de este estudio de la Universidad Northwestern y Argonne utilizaron la línea de rayos X-Ray Science Division 8-ID-I en el APS para medir ondas capilares inducidas térmicamente en las superficies de películas de poliestireno.
Los investigadores emplearon espectroscopía de correlación de fotones de rayos X (XPCS), lo cual es ideal para sondear la dinámica de la superficie porque los rayos X del APS se pueden ajustar para que solo penetren en los ~ 10 nm superiores de una película.
Con XPCS, Los investigadores midieron ondas capilares en constante fluctuación en la superficie de una película de poliestireno que se había calentado a una temperatura por encima de la T gramo del polímero.
Los investigadores pudieron descubrir el papel que juega el espesor de la película de poliestireno y el módulo del sustrato en la dinámica de los tiempos de relajación de las ondas capilares superficiales.
De las mediciones tomadas 10 ° por encima de la temperatura de transición vítrea del poliestireno, Se encontró que los tiempos de relajación de las ondas capilares superficiales abarcan órdenes de magnitud cuando el PS se coloca en sustratos con valores de módulo que van desde ~ 1 MPa a> 100 GPa.
Se observó una dinámica de superficie más rápida en sustratos más blandos incluso para películas con un grosor superior a 100 nm. Este grosor es lo suficientemente grande como para que PS no muestre ninguna T gramo efectos de confinamiento, pero muestra efectos de módulo de sustrato. Este resultado ilustra que T gramo y la rigidez puede verse afectada de una manera muy diferente cuando la película de polímero se limita a la nanoescala.
Un segundo hallazgo de este estudio fue que las películas de PS más delgadas tienen relajaciones de ondas superficiales más lentas que las películas más gruesas para un sustrato dado. Curiosamente, los efectos del módulo del sustrato y el espesor de la película desaparecen cuando las mediciones se toman 40 ° grados por encima de la T gramo de PS, mostrando que la medición de la temperatura juega un papel fundamental en los estudios de confinamiento.
El trabajo futuro de estos investigadores analizará la dinámica de las películas delgadas que tienen rellenos como nanopartículas o plastificantes añadidos para modificar sus propiedades.
