(Phys.org) —Tekniker som mikroelektronik och litografi kräver polymerfilmer i nanoskala som sitter ovanpå olika andra material. En förståelse för samspelet mellan dynamiken i tunnfilmen och det underliggande substratet är avgörande för att bestämma lämpliga material som ska användas för nya och förbättrade tillämpningar. De senaste experimenten vid US Department of Energy Office of Science Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory ger ny insikt om dynamiken i tunna polymerfilmer som sitter på olika underlag och vikten av filmtjocklek och stödjande materialegenskaper på ytdynamiken hos tunna polymerfilmer.

Enheter som använder sådana lager kräver denna avgörande kunskap så att lämpligt material kan väljas väl. Att välja en polymer baserat på bulkegenskaper enbart är inte tillräckligt när man arbetar med lager vars tjocklek mäts i nanometer.

Till exempel, om en viss polymer väljs som en mikroelektronikbeläggning men blir väsentligt styvare eller mjukare när den tillverkas i nanoskala, den kanske inte längre fungerar som förväntat.

När polymerfilmer är begränsade till nanoskala, egenskaper som glasövergångstemperaturen (T _g ), smält temperatur, eller ett mått på styvhet som den elastiska modulen kan uppvisa stora förändringar från hur dessa egenskaper normalt beter sig i större storlekar. Dessa förändringar förstås uppstå från gränssnitt, där dynamiken är snabbare vid polymer-luft-gränssnittet (kallas den fria ytan) och långsammare vid polymer-substratgränssnittet där interaktioner orsakade av attraktion i motsats till vidhäftning, såsom vätebindning, är närvarande.

Den mest studerade nanokonfinerade filmen är polystyren (PS), vilket visar en minskande glasövergångstemperatur när filmtjockleken minskar eftersom den fria ytan är mycket rörlig och polymeren inte uppvisar väsentliga attraktiva interaktioner med det bärande substratet. Även om T _g förändringar av nanometertjock polystyren är väldokumenterade, andra fastigheter, som dynamiken, måste beaktas vid tillverkning av material i nanoskala.

För att studera sådana begränsade filmer mer i detalj, forskarna i denna studie från Northwestern University och Argonne använde röntgen Science Division beamline 8-ID-I vid APS för att mäta termiskt inducerade kapillärvågor vid ytorna av polystyrenfilmer.

Forskarna använde röntgenfotonkorrelationsspektroskopi (XPCS), vilket är idealiskt för sondering av ytdynamik eftersom röntgenstrålar från APS kan ställas in för att bara tränga in i de ~ 10 nm av en film.

Med XPCS, forskarna mätte ständigt fluktuerande kapillärvågor på ytan av en polystyrenfilm som hade värmts upp till en temperatur över T _g av polymeren.

Forskarna kunde upptäcka vilken roll polystyrenfilmstjocklek och substratmodul spelar för dynamiken i ytkapillärvågavslappningstider.

Från mätningar 10 ° över polystyrenglasets övergångstemperatur, ytkapillärvågsavslappningstider visade sig sträcka sig över storleksordningar när PS placerades på substrat med modulvärden från ~ 1 MPa till> 100 GPa.

Snabbare ytdynamik observerades på mjukare underlag även för filmer som är tjockare än 100 nm. Denna tjocklek är tillräckligt stor för att PS inte ska visa T _g inneslutningseffekter, men visar substratmodulseffekter. Detta resultat illustrerar att T _g och styvhet kan påverkas på ett mycket annorlunda sätt när polymerfilmen är begränsad till nanoskala.

Ett andra resultat av denna studie var att tunnare PS -filmer har långsammare ytvågsavslappningar än tjockare filmer för ett givet substrat. Intressant, effekterna av substratmodul och filmtjocklek försvinner när mätningar gjordes 40 ° grader över T _g av PS, visar att mätningstemperatur spelar en avgörande roll i inneslutningsstudier.

Framtida arbete av dessa forskare kommer att titta på dynamiken i tunna filmer som har fyllmedel som nanopartiklar eller mjukgörare tillsatta för att ändra deras egenskaper.