Materialvetare Gregory Doerk förbereder ett prov för elektronmikroskopi vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials. Skanningselektronmikroskopbilden på datorskärmen visar en tvärsnittsvy av linjemönster som överförs till ett lager kiseldioxid. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
Möjligheten att snabbt generera extremt små, välordnade nanopatroner över stora ytor på materialytor är avgörande för tillverkning av nästa generations teknik i många branscher, från elektronik och datorer till energi och medicin. Till exempel, mönstrade medier, där data lagras i periodiska grupper av magnetiska pelare eller staplar, kan avsevärt förbättra lagringstätheten för hårddiskar.
Forskare kan locka tunna filmer av självmonterande material som kallas block-sampolymerer-kedjor av kemiskt distinkta makromolekyler (polymer "block") kopplade ihop-till önskade nanoskala-mönster genom uppvärmning (glödgning) av dem på ett substrat. Dock, defekta strukturer som avviker från det vanliga mönstret dyker upp tidigt under självmontering.
Förekomsten av dessa defekter hämmar användningen av block -sampolymerer i nanopapring av teknik som kräver en nästan perfekt beställning - till exempel magnetiska medier, datorchip, antireflekterande ytor, och medicinsk diagnostisk utrustning. Med fortsatt glödgning, block -sampolymermönstren kan omkonfigurera för att ta bort bristerna, men denna process är extremt långsam. Polymerblocken blandas inte lätt med varandra, så de måste övervinna en extremt stor energibarri för omkonfigurering.
Lägga till små saker med stor inverkan
Nu, forskare från Center for Functional Nanomaterials (CFN) - ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory - har kommit på ett sätt att massivt påskynda beställningsprocessen. De blandade en linjebildande blocksampolymer med betydligt mindre polymerkedjor gjorda av endast en typ av molekyl (homopolymerer) från vart och ett av de två ingående blocken. Elektronmikroskopibilderna som de tog efter glödgning av filmerna i bara några minuter visar att tillsatsen av dessa två mindre homopolymerer dramatiskt ökar storleken på välordnade linjemönsterområden, eller "korn".
Som visas i illustrationen, en blocksampolymer består av olika molekylkedjor (röda och blåa) sammanlänkade; en homopolymerkedja består av identiska molekyler (röda eller blåa). I den här studien, forskare blandade en blocksampolymer innehållande två kemiskt distinkta "block" med betydligt mindre homopolymerer från vart och ett av dessa block. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
"Utan homopolymererna, samma blocksampolymer kan inte producera korn med dessa storlekar, "sade CFN -materialvetaren Gregory Doerk, som ledde arbetet, som publicerades online i en ACS Nano papper den 1 december. "Blandning i homopolymerer som är mindre än en tiondel av storleken på sampolymeren påskyndar beställningsprocessen. I de resulterande linjemönstren, det finns ett konstant avstånd mellan var och en av raderna, och samma riktningar för linjemönsterorienteringar-till exempel vertikal eller horisontell - fortsätter över längre avstånd. "
Doerk och medförfattare Kevin Yager, ledare för Electronic Nanomaterials Group på CFN, använde bildanalysprogramvara för att beräkna kornstorleken och upprepa avståndet mellan linjemönstren.
Medan man blandar olika koncentrationer av homopolymer för att bestämma hur mycket som behövdes för att uppnå den accelererade beställningen, de upptäckte att beställningen ökade i takt med att mer homopolymer tillsattes. Men för mycket homopolymer resulterade faktiskt i oordningsmönster.
Skanningselektronmikroskopbilderna som tagits efter termisk glödgning vid cirka 480 grader Fahrenheit i fem minuter visar att block-sampolymer/homopolymerblandningen genererar ett linjemönster med en betydligt högre grad av långdistansordning (b) än den oblandade versionen (a), som visar ett fingeravtrycksliknande mönster. Med hjälp av bildanalysprogram, forskarna genererade färgade kartor för att visualisera de lokala linjemönsterorienteringarna i två blocksampolymerer av olika storlek (c). För båda blocksampolymererna, storleken på välordnade områden (indikeras av de stora enskilda färgade områdena, med de olika linjeorienteringarna som anges med motsvarande färgnyckel) ökar när mer homopolymer blandas, fram till en viss punkt, varefter mönstret blir stört. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
"Homopolymererna påskyndar självmonteringsprocessen eftersom de är tillräckligt små för att fördelas enhetligt genom sina respektive polymerblock, "sa Doerk." Deras närvaro försvagar gränssnittet mellan de två blocken, sänka energibarriären i samband med block -sampolymeren omkonfigurera för att avlägsna defekterna. Men om gränssnittet försvagas för mycket genom tillsats av för mycket homopolymer, då blandas blocken ihop, vilket resulterar i en fullständigt störd fas. "
Guider självmontering av användbara nanopatroner på några minuter
För att visa hur den snabba beställningen i det blandade systemet kan påskynda självmonteringen av välinriktade nanopatroner över stora områden, Doerk och Yager använde linjemönstermallar som de tidigare hade förberett genom fotolitografi. Används för att bygga nästan alla dagens digitala enheter, fotolitografi innebär att ljuset projiceras genom en mask (en platta som innehåller det önskade mönstret) som placeras över en skiva (vanligtvis tillverkad av kisel) belagd med ett ljuskänsligt material. Denna mall kan sedan användas för att styra självmontering av blocksampolymerer, som fyller i utrymmena mellan mallguiderna. I detta fall, efter bara två minuters glödgning, polymerblandningen självmonteras till linjer som är inriktade över dessa mellanrum. Dock, efter samma glödgningstid, den oblandade segmentsampolymeren självmonteras till ett mestadels ojusterat mönster med många defekter mellan luckorna.
Den oblandade block -sampolymeren ligger väl i linje med mallguiderna ("sidoväggar"), men denna inriktning försämras längre in, vilket framgår av utseendet på det fingeravtrycksliknande mönstret i mitten av skanningselektronmikroskopbilden i (a). Under samma glödgningstemperatur och tid (två minuter), blocksampolymer/homopolymerblandningen behåller inriktningen över hela området mellan sidoväggarna (b). Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
"Bredden på luckorna är mer än 80 gånger upprepningsavståndet, så det faktum att vi fick denna grad av anpassning till vår polymerblandning är riktigt spännande eftersom det betyder att vi kan använda mallar med stora luckor, skapad med mycket lågupplöst litografi, "sa Doerk." Normalt sett dyr högupplöst litografiutrustning behövs för att anpassa blocksampolymermönster över detta stora område. "
För att dessa mönster ska vara användbara för många nanopatronapplikationer, de behöver ofta överföras till andra mer robusta material som tål hårda tillverkningsprocesser - t.ex. etsning, som tar bort lager från kiselskivor för att skapa integrerade kretsar eller göra ytorna antireflekterande. I den här studien, forskarna konverterade nanopatronerna till en metalloxidreplika. Genom kemisk etsning, de överförde sedan replikmönstret till ett kiseldioxidskikt på en kiselskiva, uppnå klart definierade linjemönster.
Doerk misstänker att blandning av homopolymerer med andra blocksampolymerer på samma sätt ger accelererad montering, och han är intresserad av att studera blandade polymerer som självmonteras till mer komplicerade mönster. Röntgenspridningsmöjligheterna vid National Synchrotron Light Source II-en annan DOE Office of Science User Facility i Brookhaven-kan ge den strukturella information som behövs för att genomföra sådana studier.
En avsökande elektronmikroskopbild som visar en tvärsnittsvy av linjemönstren överförda till ett kiseldioxidskikt. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
"Vi har introducerat ett mycket enkelt och lättkontrollerat sätt att oerhört accelerera självmontering, "avslutade Doerk." Vår strategi bör avsevärt minska antalet defekter, hjälper till att möta kraven från halvledarindustrin. På CFN, det öppnar upp möjligheter för oss att använda block-sampolymer självmontering för att göra några av de nya funktionella materialen som vi tänker oss. "
