El científico de materiales Gregory Doerk prepara una muestra para microscopía electrónica en el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Lab. La imagen del microscopio electrónico de barrido en la pantalla de la computadora muestra una vista en sección transversal de patrones de líneas transferidos a una capa de dióxido de silicio. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
La capacidad de generar rápidamente ultra-pequeños, nanopatrones bien ordenados en grandes áreas en superficies de materiales es fundamental para la fabricación de tecnologías de próxima generación en muchas industrias, desde la electrónica y la informática hasta la energía y la medicina. Por ejemplo, medios estampados, en el que los datos se almacenan en matrices periódicas de pilares o barras magnéticas, podría mejorar significativamente la densidad de almacenamiento de las unidades de disco duro.
Los científicos pueden engatusar películas delgadas de materiales autoensamblables llamados copolímeros de bloque, cadenas de macromoléculas químicamente distintas ("bloques" de polímeros) unidas entre sí, en patrones de nanoescala deseados calentándolos (recociéndolos) sobre un sustrato. Sin embargo, Las estructuras defectuosas que se desvían del patrón regular emergen temprano durante el autoensamblaje.
La presencia de estos defectos inhibe el uso de copolímeros de bloque en el nanopatrón de tecnologías que requieren un orden casi perfecto, como los medios magnéticos, chips de ordenador, superficies antirreflectantes, y dispositivos de diagnóstico médico. Con recocido continuo, los patrones de copolímero de bloque se pueden reconfigurar para eliminar las imperfecciones, pero este proceso es sumamente lento. Los bloques de polímero no se mezclan fácilmente entre sí, por lo que deben superar una barrera de energía extremadamente grande para reconfigurarse.
Agregar pequeñas cosas con un gran impacto
Ahora, Los científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias Científicas del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, han ideado una manera de acelerar enormemente el proceso de pedido. Mezclaron un copolímero de bloques formador de líneas con cadenas de polímeros significativamente más pequeñas hechas de un solo tipo de molécula (homopolímeros) de cada uno de los dos bloques constituyentes. Las imágenes de microscopía electrónica que tomaron después de recocer las películas durante solo unos minutos muestran que la adición de estos dos homopolímeros más pequeños aumenta drásticamente el tamaño de las áreas de patrones de líneas bien ordenadas. o "granos".
Como se muestra en la ilustración, un copolímero de bloque consta de diferentes cadenas de moléculas (rojo y azul) unidas entre sí; una cadena de homopolímero consta de moléculas idénticas (rojo o azul). En este estudio, los científicos mezclaron un copolímero de bloque que contenía dos "bloques" químicamente distintos con homopolímeros significativamente más pequeños de cada uno de estos bloques. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"Sin los homopolímeros, el mismo copolímero de bloque no puede producir granos con estos tamaños, "dijo el científico de materiales CFN Gregory Doerk, quien dirigió el trabajo, que se publicó en línea en un ACS Nano el 1 de diciembre. "La mezcla de homopolímeros que son menos de una décima parte del tamaño del copolímero de bloque acelera enormemente el proceso de pedido. En los patrones de línea resultantes, hay un espaciado constante entre cada una de las líneas, y las mismas direcciones de orientaciones de patrones de línea, por ejemplo, vertical u horizontal:persiste en distancias más largas ".
Doerk y el coautor Kevin Yager, líder del Grupo de Nanomateriales Electrónicos en CFN, utilizó software de análisis de imágenes para calcular el tamaño de grano y el espaciado de repetición de los patrones de línea.
Mientras se mezclan diferentes concentraciones de homopolímero para determinar cuánto se necesita para lograr el pedido acelerado, descubrieron que el pedido se aceleraba a medida que se añadía más homopolímero. Pero demasiado homopolímero resultó en patrones desordenados.
Las imágenes del microscopio electrónico de barrido tomadas después del recocido térmico a alrededor de 480 grados Fahrenheit durante cinco minutos muestran que la mezcla de copolímero de bloque / homopolímero genera un patrón de línea con un grado significativamente mayor de orden de largo alcance (b) que la versión sin mezclar (a), que muestra un patrón similar a una huella digital. Usando software de análisis de imágenes, los científicos generaron mapas de colores para visualizar las orientaciones de los patrones de líneas locales en dos copolímeros de bloques de diferente tamaño (c). Para ambos copolímeros de bloque, el tamaño de las áreas bien ordenadas (indicado por las grandes regiones de colores individuales, con las diferentes orientaciones de línea designadas por la clave de color correspondiente) aumenta a medida que se mezcla más homopolímero, hasta cierto punto, después de lo cual el patrón se vuelve desordenado. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"Los homopolímeros aceleran el proceso de autoensamblaje porque son lo suficientemente pequeños como para distribuirse uniformemente en sus respectivos bloques de polímero, "dijo Doerk." Su presencia debilita la interfaz entre los dos bloques, bajar la barrera de energía asociada con el copolímero de bloque reconfigurar para eliminar los defectos. Pero si la interfaz se debilita demasiado por la adición de demasiado homopolímero, entonces los bloques se mezclarán, resultando en una fase completamente desordenada ".
Guiando el autoensamblaje de nanopatrones útiles en minutos
Para demostrar cómo la ordenación rápida en el sistema mixto podría acelerar el autoensamblaje de nanopatrones bien alineados en grandes áreas, Doerk y Yager utilizaron plantillas de patrones de líneas que habían preparado previamente mediante fotolitografía. Se utiliza para construir casi todos los dispositivos digitales actuales, La fotolitografía consiste en proyectar luz a través de una máscara (una placa que contiene el patrón deseado) que se coloca sobre una oblea (generalmente hecha de silicio) recubierta con un material sensible a la luz. Esta plantilla se puede utilizar para dirigir el autoensamblaje de copolímeros de bloque, que llenan los espacios entre las guías de la plantilla. En este caso, después de solo dos minutos de recocido, la mezcla de polímeros se autoensambla en líneas que se alinean a través de estos espacios. Sin embargo, después del mismo tiempo de recocido, el copolímero de bloques sin mezclar se autoensambla en un patrón en su mayor parte no alineado con muchos defectos entre los espacios.
El copolímero de bloque sin mezclar se alinea bien cerca de las guías de la plantilla ("paredes laterales"), pero esta alineación se degrada aún más, como es evidente por la aparición del patrón similar a una huella dactilar en el centro de la imagen del microscopio electrónico de barrido en (a). Bajo la misma temperatura y tiempo de recocido (dos minutos), la mezcla de copolímero de bloque / homopolímero conserva la alineación en toda el área entre las paredes laterales (b). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"El ancho de los espacios es más de 80 veces el espaciado de repetición, por lo que el hecho de que obtuvimos este grado de alineación con nuestra mezcla de polímeros es realmente emocionante porque significa que podemos usar plantillas con grandes espacios, creado con litografía de muy baja resolución, ", dijo Doerk." Normalmente, Se necesita un costoso equipo de litografía de alta resolución para alinear los patrones de copolímeros de bloques en un área tan grande ".
Para que estos patrones sean útiles para muchas aplicaciones de nanopatrones, a menudo necesitan ser transferidos a otros materiales más robustos que puedan soportar los duros procesos de fabricación, por ejemplo, grabando, que elimina capas de las superficies de las obleas de silicio para crear circuitos integrados o hacer que las superficies sean antirreflectantes. En este estudio, los científicos convirtieron los nanopatrones en una réplica de óxido de metal. Mediante grabado químico, luego transfirieron el patrón de réplica a una capa de dióxido de silicio en una oblea de silicio, lograr patrones de línea claramente definidos.
Doerk sospecha que la mezcla de homopolímeros con otros copolímeros de bloque producirá un ensamblaje acelerado de manera similar, y está interesado en estudiar polímeros mezclados que se autoensamblan en patrones más complicados. Las capacidades de dispersión de rayos X en National Synchrotron Light Source II, otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven, podrían proporcionar la información estructural necesaria para realizar dichos estudios.
Una imagen de microscopio electrónico de barrido que muestra una vista en sección transversal de los patrones de líneas transferidos a una capa de dióxido de silicio. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"Hemos introducido una forma muy simple y fácil de controlar de acelerar enormemente el autoensamblaje, "concluyó Doerk." Nuestro enfoque debería reducir sustancialmente el número de defectos, ayudando a satisfacer las demandas de la industria de los semiconductores. En CFN, abre posibilidades para que utilicemos el autoensamblaje de copolímeros en bloque para fabricar algunos de los nuevos materiales funcionales que imaginamos ".
