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000573840 1001_ $$0P:(DE-82)181001$$aKathrein, Christine$$b0
000573840 245__ $$aPhase transitions and ordering of microphase separated block copolymer nanostructures in electric fields$$cvorgelegt von M.Sc. Christine Claudia Kathrein$$honline
000573840 246_3 $$aPhasenübergänge und Ausrichtung von Mikrophasen separierten Block Copolymer Nanostrukturen durch elektrische Felder$$yGerman
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000573840 300__ $$a1 Online-Ressource (vi, 157 Seiten) : Illustrationen, Diagramme
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000573840 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
000573840 502__ $$aDissertation, RWTH Aachen, 2016$$bDissertation$$cRWTH Aachen$$d2016$$gFak01$$o2016-04-22
000573840 5203_ $$aDie zunehmende Miniaturisierung von elektronischen Geräten und Speichermedien erfordert neuartige Methoden, die die großflächige Strukturierung auf Nanometerebene zu wirtschaftlichen Kosten ermöglichen. Block Copolymere sind aufgrund ihrer Fähigkeit, unterschiedliche thermotrope und lyotrope Phasen in einer Größenordnung von 10-100 nm auszubilden, vielversprechende funktionelle Materialien mit potentieller Anwendung z. B. in der Halbleiter-Industrie und bei der Herstellung von Solarzellen. Eine der großen Herausforderungen ist es, die Struktur und Orientierung von Block Copolymeren gezielt kontrollieren zu können. Zu den gängigsten Methoden gehören Scherung, das Anlegen von Temperaturgradienten, magnetischen oder elektrischen Feldern, Tempern im Lösungsmitteldampf, sowie Chemoepitaxy und Graphoepitaxy. Vorteile des E-Feldes sind, dass es einfach in elektronische Bauteile integrierbar ist, es umso wirksamer ist je kleiner die Längenskala und die schnelle, schrittweise Anpassbarkeit der E-Feld Stärke.In dieser Arbeit werden die E-Feld induzierte Reorientierung sowie Phasenübergänge in nanostrukturierten Block Copolymer Phasen untersucht. Die ersten vier Kapitel behandeln die Analyse des Effekts von elektrischen Feldern auf konzentrierte Block Copolymer Lösungen mittels Doppelbrechung und Synchrotron Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS). In Kapitel 3 wird die hierzu entwickelte Messzelle beschrieben. Diese ermöglichte die Analyse des Effekts starker elektrischer Felder auf die Ordnungs-Unordnungsübergangstemperatur in etlichen Block Copolymer Systemen unter Variation einer Vielzahl von Parametern. Hierdurch konnte ermittelt werden, dass die Kettenlänge und der dielektrische Kontrast zwischen den beiden Blöcken relevante Einflussgrößen für das Mischen von Block Copolymer Phasen durch elektrische Felder sind. Ein weiterer analysierter Phasenübergang ist der reversible E-Feld induzierte Gyroid zu Zylinder Übergang sowie die Rückbildung der Gyroid Phase nach Ausschalten des E-Feldes. Durch umfangreiche Synchrotron SAXS Messungen konnten die Übergangsmechanismen aufgeklärt werden (Kapitel 6). Kapitel 5 beschreibt eine Doppelbrechungsanalyse zum Einfluss von Nanopartikeln auf die Reorientierungsmechanismen von Block Copolymeren unter dem Einfluss elektrischer Felder. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Einlagerung von CdSe Quantum Dots in das Block Copolymer „Nucleation and Growth“ als Reorientierungsmechanismus über „Rotation of Grains“ bevorzugt wird.Die letzten beiden Kapitel dieser Arbeit behandeln Block Copolymer Dünnfilme. Die dazugehörigen Experimente wurden während eines Forschungsaufenthalts in der Gruppe von Prof. Caroline Ross am Massachusetts Institute of Technology (MIT) durchgeführt. Kapitel 7 beschreibt, wie eine Kombination aus Graphoepitaxy und elektrischem Feld die Selbstassemblierung von Zylinder-formenden Polystyrol-block-poly(dimethylsiloxan) Dünnfilmen beeinflusst. Der Winkel zwischen E-Feld und topographischen Graphoepitaxy Guides und die Breite der Graphoepitaxy Trenches wurden systematisch variiert. Hierdurch konnten hochgeordnete Block Copolymer Filme generiert werden, die je nach Winkel zwischen den beiden richtungsdirigierenden Feldern entweder parallel oder senkrecht zu den Trenches orientiert sind.Weitere strukturelle Vielfalt kann durch Einbringen eines weiteren Blocks in das Polymer erzeugt werden. In Kapitel 8 werden die E-Feld induzierten Phasenübergänge von Miktoarm-Stern Terpolymeren bestehend aus Polyisopren, Polystyrol und Polyferrocenylethylmethylsilan (PFEMS) untersucht. Der metallorganische PFEMS Block ändert das Verhalten im E-Feld verglichen mit nichtmetallhaltigen Copolymeren. Zusätzlich zu dem bereits erwähnten ausrichtenden Effekt führen elektrische Felder zu einer Zunahme des Volumenanteils des PFEMS Blocks durch Oxidation der Ferrocenyl Gruppen. Daher können unterschiedliche E-Feld Stärken abhängige Phasenübergänge beobachtet werden.Zusammenfassend werden verschiedene Aspekte der E-Feld induzierten Reorientierung und Phasenübergänge beleuchtet und somit das Verständnis des Einflusses elektrischer Felder auf Block Copolymer Phasendiagrame erweitert.$$lger
000573840 520__ $$aIncreasing miniaturization of electronic and data storage devices necessitates methods which enable large area structuring on a nanometer length scale at reasonable prices. Block copolymers (BCP) are promising candidates for future application in e.g. semiconductor industry, and solar cells due to their capability to readily self-assemble into highly ordered thermotropic or lyotropic phases on a length scale of 10-100 nm. One of the main challenges is gaining control over structure and orientation of block copolymer microphases. Methods envisaged include the application of external stimuli such as shear forces, temperature gradients, solvent annealing, magnetic- or electric fields, as well as chemoepitaxy, and graphoepitaxy. Benefits of electric field-induced orientation include that they can easily be integrated into electronic devices, are increasingly effective on diminishing length scales, and the rapid, stepwise tunability of field strength.This thesis deals with the analysis of phase transitions and ordering of block copolymer microphases induced by electric fields. The first four chapters deal with the bulk analysis of the effect of electric field on microphase separated diblock copolymer nanostructures via birefringence measurements and synchrotron SAXS. In Chapter 3 we describe the setup developed to use birefringence measurements as a supplementary method to synchrotron SAXS. The novel setup enabled the analysis of the effect of strong dc electric fields on the order-disorder transition temperature in a large parameter window, for various block copolymer systems. The novelty of our findings is that we identify the parameters that evoke mixing of block copolymers when exposed to electric fields (the difference in dielectric permittivity (Δε) between the block copolymer constituents and the degree of polymerization (N)). Another phase transition focused on is the electric-field-induced transition between a gyroid and a cylinder nanostructure. Through a detailed synchrotron SAXS study we could unveil the mechanisms of the electric-field-induced gyroid-to-cylinder transition and of the reformation of the gyroid phase after turning off the electric field which have not been reported to date. The detailed mechanistic study is given in Chapter 6. We show that the exploited mechanism is determined by temperature and electric field strength. In Chapter 5 time- and temperature-resolved in-situ birefringence measurements were applied to analyze the effect of nanoparticles on the electric field-induced alignment of block copolymers. With our experiments we reveal that the incorporation of isoprene-confined CdSe quantum dots leads to an altered reorientation behavior. Particle loading lowers the order-disorder transition temperature, and increases the defect density, favoring nucleation and growth as an alignment mechanism over rotation of grains. Experiments to the last two chapters of this thesis were performed during a research internship at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) and deal with the effect of electric fields on thin film samples. In Chapter 7 we systematically analyze how the combination of two directing effects (graphoepitaxy and electric field) influences the self-assembly of cylinder forming polystyrene-block-poly(dimethylsiloxane) block copolymer in thin films during solvent vapor annealing. We analyzed how the angle between the electric field direction and the topographic guides, as well as the dimensions of the trenches affected both the quality of the ordering and the direction of the orientation of cylindrical domains: parallel or perpendicular to the topographic features. This combined approach allows the fabrication of highly ordered block copolymer structures using macroscopically pre-patterned photolithographic substrates.Further structural diversity can be achieved by adding a third block to the polymer. Hence, Chapter 8 focuses on electric-field-induced phase transitions in thin films of star-shaped 3-miktoarm triblock terpolymers composed of polyisoprene, polystyrene and polyferrocenylethylmethylsilane. We show that the metalorganic PFEMS block alters the behavior of the polymer upon exposure to electric fields compared to the other block copolymers analyzed in this thesis. Additionally, to the previously described effect of ordering the volume fraction of PFEMS is enhanced with increasing electric field strength due to oxidation of the ferrocenyl groups. Therefore, different electric field strength dependent morphological transitions are observed. The results demonstrate the multiple tunability of the ordered microdomain structure by simple stimuli application.Summarizing different aspects of electric-field-induced ordering and phase transitions in various block copolymer systems were analyzed in this thesis enhancing the understanding of the effect of electric fields on the block copolymer phase diagram and pointing out possible future applications.$$leng
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000573840 7001_ $$0P:(DE-82)IDM00066$$aPich, Andrij$$b2$$eThesis advisor
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