(Phys.org) —Tecnologias como microeletrônica e litografia requerem filmes de polímero em nanoescala que ficam sobre vários outros materiais. Uma compreensão da interação entre a dinâmica da película fina e o substrato subjacente é crucial para determinar os materiais apropriados a serem utilizados para aplicações novas e aprimoradas. Experimentos recentes no Departamento de Energia dos EUA da Fonte Avançada de Fótons (APS) do Argonne National Laboratory fornecem novos insights sobre a dinâmica de filmes finos de polímero assentados em vários substratos e a importância da espessura do filme e propriedades do material de suporte na dinâmica da superfície de filmes finos de polímero.

Dispositivos que fazem uso de tais camadas requerem esse conhecimento crucial para que os materiais apropriados possam ser escolhidos criteriosamente. A seleção de um polímero com base apenas nas propriedades de massa não é adequada ao trabalhar com camadas cuja espessura é medida em nanômetros.

Por exemplo, se um polímero específico for escolhido como um revestimento microeletrônico, mas se tornar substancialmente mais rígido ou mais macio quando fabricado em camadas em nanoescala, ele pode não funcionar mais conforme o previsto.

Quando os filmes de polímero estão confinados à nanoescala, propriedades como a temperatura de transição vítrea (T _g ), temperatura de fusão, ou uma medida de rigidez, como o módulo de elasticidade, pode exibir grandes mudanças na forma como essas propriedades normalmente se comportam em tamanhos maiores. Essas mudanças são entendidas como surgindo de interfaces, onde a dinâmica é mais rápida na interface polímero-ar (chamada de superfície livre) e mais lenta na interface polímero-substrato, onde as interações causadas por atração em oposição à adesão, como ligações de hidrogênio, estão presentes.

O filme nanoconfinado mais comumente estudado é o poliestireno (PS), que mostra uma temperatura de transição vítrea decrescente conforme a espessura do filme diminui porque a superfície livre é altamente móvel e o polímero não exibe interações atrativas substanciais com o substrato de suporte. Embora T _g mudanças no poliestireno com nanômetros de espessura são bem documentadas, outras propriedades, como a dinâmica, deve ser considerado ao fabricar materiais em nanoescala.

Para estudar esses filmes confinados com mais detalhes, os pesquisadores neste estudo da Northwestern University e Argonne usaram a linha de luz 8-ID-I da Divisão de Ciência de raios X no APS para medir ondas capilares termicamente induzidas nas superfícies de filmes de poliestireno.

Os pesquisadores empregaram espectroscopia de correlação de fótons de raios-X (XPCS), o que é ideal para sondar a dinâmica da superfície porque os raios X do APS podem ser ajustados para penetrar apenas na parte superior de ~ 10 nm de um filme.

Com XPCS, os pesquisadores mediram ondas capilares em constante flutuação na superfície de um filme de poliestireno que foi aquecido a uma temperatura acima do T _g do polímero.

Os pesquisadores foram capazes de descobrir o papel desempenhado pela espessura do filme de poliestireno e módulo do substrato na dinâmica dos tempos de relaxamento da onda capilar de superfície.

A partir de medições feitas 10 ° acima da temperatura de transição vítrea de poliestireno, os tempos de relaxamento da onda capilar de superfície abrangeram ordens de magnitude quando o PS foi colocado em substratos com valores de módulo variando de ~ 1 MPa a> 100 GPa.

Dinâmicas de superfície mais rápidas foram observadas em substratos mais macios, mesmo para filmes com espessura superior a 100 nm. Esta espessura é grande o suficiente para que PS não mostre nenhum T _g efeitos de confinamento, mas mostra os efeitos do módulo do substrato. Este resultado ilustra que T _g e a rigidez pode sofrer impacto de uma maneira muito diferente quando o filme de polímero está confinado à nanoescala.

Uma segunda descoberta deste estudo foi que filmes de PS mais finos têm relaxamentos de ondas superficiais mais lentos do que filmes mais espessos para um determinado substrato. Interessantemente, os efeitos do módulo do substrato e da espessura do filme desaparecem quando as medições foram feitas 40 ° graus acima do T _g de PS, mostrando que a medição da temperatura desempenha um papel crítico nos estudos de confinamento.

O trabalho futuro desses pesquisadores vai olhar para a dinâmica de filmes finos que têm cargas como nanopartículas ou plastificantes adicionados para modificar suas propriedades.