La capacidad de generar rápidamente nanopatrones ultrapequeños y bien ordenados en grandes áreas en superficies de materiales es fundamental para la fabricación de tecnologías de próxima generación en muchas industrias, desde la electrónica y la informática hasta la energía y la medicina. Por ejemplo, medios con patrones,en el que los datos se almacenan en matrices periódicas de pilares o barras magnéticas, podría mejorar significativamente la densidad de almacenamiento de las unidades de disco duro.
Los científicos pueden convencer a películas delgadas de materiales de autoensamblaje llamados copolímeros de bloque, cadenas de macromoléculas químicamente distintas "bloques" de polímeros unidas entre sí, en patrones de nanoescala deseados mediante el calentamiento recocido sobre un sustrato. Sin embargo, las estructuras defectuosasque se desvían del patrón regular surgen temprano durante el autoensamblaje.
La presencia de estos defectos inhibe el uso de copolímeros de bloque en el nanopatrón de tecnologías que requieren un orden casi perfecto, como medios magnéticos, chips de computadora, superficies antirreflectantes y dispositivos de diagnóstico médico. Con el recocido continuo, los patrones de copolímero de bloquese pueden reconfigurar para eliminar las imperfecciones, pero este proceso es excesivamente lento. Los bloques de polímero no se mezclan fácilmente entre sí, por lo que deben superar una barrera de energía extremadamente grande para reconfigurarse.
Agregar cosas pequeñas con un gran impacto
Ahora, los científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales CFN, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias Científicas del Departamento de Energía de EE. UU. DOE en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, han ideado una manera de acelerar enormemente el proceso de pedido.mezclaron un copolímero de bloques formador de líneas con cadenas de polímero significativamente más pequeñas hechas de un solo tipo de molécula homopolímeros de cada uno de los dos bloques constituyentes. Las imágenes de microscopía electrónica que tomaron después de templar las películas durante solo unos minutos muestran que la adición deEstos dos homopolímeros más pequeños aumentan drásticamente el tamaño de las áreas de patrón de líneas bien ordenadas, o "granos".
"Sin los homopolímeros, el mismo copolímero de bloque no puede producir granos con estos tamaños", dijo el científico de materiales CFN Gregory Doerk, quien dirigió el trabajo, que se publicó en línea en un ACS Nano documento del 1 de diciembre. "La combinación de homopolímeros que son menos de una décima parte del tamaño del copolímero de bloque acelera enormemente el proceso de pedido. En los patrones de línea resultantes, hay un espaciado constante entre cada una de las líneas, y ellas mismas direcciones de las orientaciones del patrón de línea, por ejemplo, vertical u horizontal, persisten en distancias más largas. "
Doerk y el coautor Kevin Yager, líder del Grupo de Nanomateriales Electrónicos en CFN, utilizaron un software de análisis de imágenes para calcular el tamaño de grano y el espaciado de repetición de los patrones de línea.
Mientras mezclaban diferentes concentraciones de homopolímero para determinar cuánto se necesitaba para lograr el pedido acelerado, descubrieron que el pedido se aceleraba a medida que se agregaba más homopolímero. Pero demasiado homopolímero en realidad da como resultado patrones desordenados.
"Los homopolímeros aceleran el proceso de autoensamblaje porque son lo suficientemente pequeños como para distribuirse uniformemente a través de sus respectivos bloques de polímero", dijo Doerk. "Su presencia debilita la interfaz entre los dos bloques, disminuyendo la barrera de energía asociada con la reconfiguración del copolímero de bloquepara eliminar los defectos. Pero si la interfase se debilita demasiado debido a la adición de demasiado homopolímero, los bloques se mezclarán, dando como resultado una fase completamente desordenada. "
Guiando el autoensamblaje de nanopatrones útiles en minutos
Para demostrar cómo la ordenación rápida en el sistema mixto podría acelerar el autoensamblaje de nanopatrones bien alineados en áreas extensas, Doerk y Yager utilizaron plantillas de patrones de líneas que habían preparado previamente mediante fotolitografía. Se utiliza para construir casi todos los modelos digitales actuales.dispositivos, la fotolitografía consiste en proyectar luz a través de una máscara una placa que contiene el patrón deseado que se coloca sobre una oblea generalmente hecha de silicio recubierta con un material sensible a la luz. Esta plantilla se puede usar para dirigir el autoensamblaje decopolímeros de bloque, que llenan los espacios entre las guías de la plantilla. En este caso, después de solo dos minutos de recocido, la mezcla de polímero se autoensambla en líneas que se alinean a través de estos espacios. Sin embargo, después del mismo tiempo de recocido, el bloque sin mezclarEl copolímero se autoensambla en un patrón en su mayoría no alineado con muchos defectos entre los espacios.
"El ancho de los espacios es más de 80 veces el espaciado de repetición, por lo que el hecho de que obtuvimos este grado de alineación con nuestra mezcla de polímeros es realmente emocionante porque significa que podemos usar plantillas con grandes espacios, creadas con muy pocalitografía de alta resolución ", dijo Doerk." Por lo general, se necesita un costoso equipo de litografía de alta resolución para alinear patrones de copolímero de bloques en un área tan grande ".
Para que estos patrones sean útiles para muchas aplicaciones de nanopatrones, a menudo deben transferirse a otros materiales más robustos que puedan soportar procesos de fabricación duros, por ejemplo, grabado, que elimina capas de las superficies de las obleas de silicio para crear circuitos integrados o hacerLas superficies son antirreflectantes. En este estudio, los científicos convirtieron los nanopatrones en una réplica de óxido de metal. A través del grabado químico, luego transfirieron el patrón de réplica a una capa de dióxido de silicio en una oblea de silicio, logrando patrones de líneas claramente definidos.
Doerk sospecha que la combinación de homopolímeros con otros copolímeros de bloque producirá un ensamblaje acelerado de manera similar, y está interesado en estudiar polímeros combinados que se autoensamblan en patrones más complicados. Las capacidades de dispersión de rayos X en la Fuente de luz del Sincrotrón Nacional II: otraInstalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven: podría proporcionar la información estructural necesaria para realizar dichos estudios.
"Hemos introducido una forma muy simple y fácilmente controlada de acelerar enormemente el autoensamblaje", concluyó Doerk. "Nuestro enfoque debería reducir sustancialmente el número de defectos, ayudando a satisfacer las demandas de la industria de semiconductores. En CFN, abreabren posibilidades para que usemos el autoensamblaje de copolímeros en bloque para fabricar algunos de los nuevos materiales funcionales que imaginamos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Brookhaven . Nota: el contenido puede editarse por estilo y longitud.
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