(Phys.org) - Les technologies telles que la microélectronique et la lithographie nécessitent des films polymères à l'échelle nanométrique qui reposent sur divers autres matériaux. Une compréhension de l'interaction entre la dynamique du film mince et le substrat sous-jacent est cruciale pour déterminer les matériaux appropriés à utiliser pour des applications nouvelles et améliorées. Des expériences récentes à la source avancée de photons (APS) du ministère de l'Énergie des États-Unis au Laboratoire national d'Argonne fournissent de nouvelles informations sur la dynamique des films polymères minces posés sur divers substrats et l'importance de l'épaisseur du film et des propriétés des matériaux de support sur la dynamique de surface de films polymères minces.

Les dispositifs qui utilisent de telles couches nécessitent cette connaissance cruciale afin que les matériaux appropriés puissent être judicieusement choisis. La sélection d'un polymère sur la seule base des propriétés en vrac n'est pas adéquate lorsque l'on travaille avec des couches dont l'épaisseur est mesurée en nanomètres.

Par exemple, si un polymère particulier est choisi comme revêtement microélectronique mais devient sensiblement plus rigide ou plus mou lorsqu'il est fabriqué en couches nanométriques, il peut ne plus fonctionner comme prévu.

Lorsque les films polymères sont confinés à l'échelle nanométrique, propriétés telles que la température de transition vitreuse (T g ), température de fusion, ou une mesure de rigidité telle que le module d'élasticité peut présenter de grands décalages par rapport à la façon dont ces propriétés se comportent normalement dans des tailles plus grandes. Ces déplacements sont censés provenir des interfaces, où la dynamique est plus rapide à l'interface polymère-air (appelée surface libre) et plus lente à l'interface polymère-substrat où les interactions causées par l'attraction par opposition à l'adhésion, telles que les liaisons hydrogène, sont présents.

Le film nanoconfiné le plus couramment étudié est le polystyrène (PS), qui montre une température de transition vitreuse décroissante à mesure que l'épaisseur du film diminue car la surface libre est très mobile et le polymère ne présente pas d'interactions attractives substantielles avec le substrat de support. Bien que T g les modifications du polystyrène de l'épaisseur du nanomètre sont bien documentées, autres propriétés, comme la dynamique, doivent être pris en compte lors de la fabrication de matériaux à l'échelle nanométrique.

Pour étudier plus en détail de tels films confinés, les chercheurs de cette étude de la Northwestern University et d'Argonne ont utilisé la ligne de lumière 8-ID-I de la division des sciences des rayons X de l'APS pour mesurer les ondes capillaires induites thermiquement à la surface des films de polystyrène.

Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X (XPCS), ce qui est idéal pour sonder la dynamique de surface car les rayons X de l'APS peuvent être réglés pour ne pénétrer que dans les 10 nm supérieurs d'un film.

Avec XPCS, les chercheurs ont mesuré des ondes capillaires fluctuant constamment à la surface d'un film de polystyrène qui avait été chauffé à une température supérieure à la T g du polymère.

Les chercheurs ont pu découvrir le rôle joué par l'épaisseur du film de polystyrène et le module du substrat sur la dynamique des temps de relaxation des ondes capillaires de surface.

A partir de mesures prises 10° au dessus de la température de transition vitreuse du polystyrène, les temps de relaxation des ondes capillaires de surface s'étendent sur des ordres de grandeur lorsque le PS est placé sur des substrats avec des valeurs de module allant de ~1 MPa à> 100 GPa.

Une dynamique de surface plus rapide a été observée sur des substrats plus mous, même pour des films plus épais que 100 nm. Cette épaisseur est suffisamment grande pour que PS ne montre aucun T g effets de confinement, mais montre des effets de module de substrat. Ce résultat illustre que T g et la rigidité peut être impactée de manière très différente lorsque le film polymère est confiné à l'échelle nanométrique.

Une deuxième découverte de cette étude était que les films PS plus minces ont des relaxations d'ondes de surface plus lentes que les films plus épais pour un substrat donné. De façon intéressante, les effets du module du substrat et de l'épaisseur du film disparaissent lorsque les mesures ont été prises à 40° au-dessus du T g du PS, montrant que la température de mesure joue un rôle critique dans les études de confinement.

Les travaux futurs de ces chercheurs examineront la dynamique des films minces auxquels des charges telles que des nanoparticules ou des plastifiants sont ajoutées pour modifier leurs propriétés.