A sinistra:schema che mostra la geometria di dispersione sotto la quale sono state eseguite le misurazioni XPCS. A destra:tempo di rilassamento in funzione del vettore d'onda di dispersione nel piano misurato da un film PS di 30 nm di spessore depositato sopra substrati di diverso modulo.
(Phys.org)—Tecnologie come la microelettronica e la litografia richiedono pellicole polimeriche su scala nanometrica che si trovano sopra vari altri materiali. La comprensione dell'interazione tra la dinamica del film sottile e il substrato sottostante è fondamentale per determinare i materiali appropriati da utilizzare per applicazioni nuove e migliorate. Recenti esperimenti presso l'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti dell'Office of Science presso l'Argonne National Laboratory forniscono nuove informazioni sulla dinamica dei film polimerici sottili che si trovano su vari substrati e sull'importanza dello spessore del film e delle proprietà del materiale di supporto sulla dinamica della superficie di sottili film polimerici.
I dispositivi che utilizzano tali strati richiedono questa conoscenza cruciale in modo che i materiali appropriati possano essere scelti con giudizio. La selezione di un polimero in base alle sole proprietà di massa non è adeguata quando si lavora con strati il cui spessore è misurato in nanometri.
Ad esempio, se un particolare polimero viene scelto come rivestimento per la microelettronica ma diventa sostanzialmente più rigido o più morbido quando viene fabbricato in strati su scala nanometrica, potrebbe non funzionare più come previsto.
Quando i film polimerici sono confinati alla nanoscala, proprietà quali la temperatura di transizione vetrosa (T G ), temperatura di fusione, o una misura della rigidità come il modulo elastico può mostrare grandi cambiamenti rispetto al modo in cui queste proprietà si comportano normalmente in dimensioni maggiori. Si ritiene che questi cambiamenti derivino da interfacce, dove le dinamiche sono più veloci all'interfaccia polimero-aria (chiamata superficie libera) e più lente all'interfaccia polimero-substrato dove le interazioni causate dall'attrazione rispetto all'adesione, come il legame idrogeno, sono presenti.
Il film nanoconfinato più comunemente studiato è il polistirene (PS), che mostra una temperatura di transizione vetrosa decrescente al diminuire dello spessore del film poiché la superficie libera è altamente mobile e il polimero non presenta interazioni attrattive sostanziali con il substrato di supporto. Sebbene G le modifiche al polistirene di spessore nanometrico sono ben documentate, altre proprietà, come le dinamiche, deve essere considerato quando si fabbricano materiali su scala nanometrica.
Per studiare questi film confinati in modo più dettagliato, i ricercatori di questo studio della Northwestern University e dell'Argonne hanno utilizzato la linea di luce 8-ID-I della divisione di scienze dei raggi X presso l'APS per misurare le onde capillari indotte termicamente sulle superfici dei film di polistirene.
I ricercatori hanno impiegato la spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X (XPCS), che è l'ideale per sondare la dinamica della superficie perché i raggi X dall'APS possono essere sintonizzati per penetrare solo nei ~10 nm superiori di un film.
Con XPCS, i ricercatori hanno misurato onde capillari costantemente fluttuanti sulla superficie di un film di polistirene che era stato riscaldato a una temperatura superiore alla T G del polimero.
I ricercatori sono stati in grado di scoprire il ruolo svolto dallo spessore del film di polistirene e dal modulo del substrato sulla dinamica dei tempi di rilassamento delle onde capillari superficiali.
Dalle misurazioni effettuate a 10° al di sopra della temperatura di transizione vetrosa del polistirene, È stato riscontrato che i tempi di rilassamento delle onde capillari superficiali abbracciano ordini di grandezza quando il PS è stato posizionato su substrati con valori di modulo che vanno da ~ 1 MPa a> 100 GPa.
Dinamiche superficiali più veloci sono state osservate su substrati più morbidi anche per film più spessi di 100 nm. Questo spessore è abbastanza grande che PS non mostra alcun T G effetti di confinamento, ma mostra gli effetti del modulo del substrato. Questo risultato illustra che T G e la rigidità può essere influenzata in modo molto diverso quando il film polimerico è limitato alla nanoscala.
Una seconda scoperta di questo studio è stata che i film PS più sottili hanno rilassamenti delle onde superficiali più lenti rispetto ai film più spessi per un dato substrato. interessante, gli effetti del modulo del substrato e dello spessore del film scompaiono quando le misurazioni sono state effettuate a 40° gradi sopra la T G di PS, dimostrando che la misurazione della temperatura svolge un ruolo critico negli studi di confinamento.
Il lavoro futuro di questi ricercatori esaminerà le dinamiche dei film sottili a cui sono stati aggiunti riempitivi come nanoparticelle o plastificanti per modificarne le proprietà.
