The microstructure of confined and thin polymer films

Lippmann, Milena; Brückel, Thomas

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-14376

The microstructure of confined and thin polymer films = Über die Mikrostruktur von eingegrenzten und dünnen Polymerfilmen

Lippmann, Milena

2005 & 2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Milena Lippmann, geb. Dimitrova Mihaylova

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

Umfang236 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Prüfungsjahr: 2005. - Publikationsjahr: 2006

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Brückel, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-10-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-14376
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60928/files/Lippmann_Milena.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Hamburg (frei) ; Deutsches Elektronen-Synchrotron (frei) ; Polymerfilm (frei) ; Dünne Schicht (frei) ; Polymere Flüssigkeit (frei) ; synchrotron radiation (frei) ; polymer (frei) ; thin film (frei) ; confined liquids (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 82.35.Lr * 68.15.+e

Kurzfassung
Polymere finden heutzutage weite Anwendungsfelder in der Biologie und in der Medizin. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Teile biologischen Materials zu simulieren, welches in der Zellstruktur lebender Organismen zu finden ist. Die Anwendung von Polymeren als Bausteine von Membranen stimulierte die Untersuchung dünner Polymerfilme und Mehrfachschichten in den letzten Jahrzehnten. Darüberhinaus gewinnen Polymere in der Mikroelektronik und der Nanotechnologie als Passivierungsmaterialien zunehmend von Bedeutung. Mit der Entwicklung von Hochfluss-Neutronen- und -Synchrotron-Quellen wurden die Streumethoden zunehmend die zentralen Techniken zur Strukturuntersuchung. Bisher verhinderten allerdings experimentelle und technische Probleme die Entwicklung eines funktionierenden Aufbaus zur Untersuchung dünner eingegrenzter Schichten, deren Dicke nur wenige Atomlagen beträgt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht, einen Aufbau zur Untersuchung derartiger Schichten mittels Reflektivitätsmessungen und Messungen diffuser Streuung zu realisieren. Die vorliegende Dissertation gliedert sich in einen kurzen Überblick über bereits vorliegende Ergebnisse anderer Studien, eine Zusammenfassung der notwendigen theoretischen Grundlagen und einen experimentellen Teil. Letzterer bildet den zentralen Teil dieser Arbeit und ist wiederum untergliedert in Untersuchungen und Ergebnissen zur Dynamik von Polymeren einerseits sowie von eingegrenzten Flüssigkeiten und dünnen Polymerfilmen andererseits. Bezüglich der Dynamik interessierte insbesondere der Einfluss thermisch induzierter Fluktuationen auf die Oberflächenstruktur der Polymere in Abhängigkeit von Dicke, molekularer Masse und der Temperatur. Bezüglich der eingegrenzten Schichten wurde ein neuartiger Aufbau konstruiert und an Tetrachlorkohlenwasserstoff und an Oktamethylcyclotetrasiloxan getestet. Dünne Polystyrenfilme wurden bezüglich ihrer molekularen Masse, Dicke und der Hydrophobizität des Substrats hin untersucht. Die Messdaten der diffusen Röntgenstreuung wurden mit Hilfes des Flüssigkeitsmodells, welches auf der Kapillarwellentheorie beruht, und des Fraktalmodells, welches die Struktur fester Oberflachen beschreibt, verfeinert. Vergleiche der Auswertungsergebnisse belegten eine höhere Ähnlichkeit der Polymeroberfläche zu einer festen als zu einer flüssigen Oberfläche. Weiterhin unterliegt die Begrenzung der Streukurven sowohl der molekularen Masse als auch der Dicke der Filme. Unterschiede in Bezug auf hydrophobe oder hydrophile Substrate konnten allerdings nicht nachgewiesen werden. Ursachen sind möglicherweise in der Instabilität der hydrophoben Substrate in Bezug auf Lagertemperatur und Lagerzeit zu finden. Die neuartige Probenzelle zur Untersuchung von Proben in begrenzter Geometrie erlaubt Streumessungen auf mehreren Quadratmillimetern Oberfläche und Filmdicken von einigen hundert Atomlagen. Unreinheiten auf den Substraten behinderten die Eingrenzung der Proben allerdings übermässig stark. Darüberhinaus zeigten die Experimente an dünnen Polymerfilmen, dass homogene Schichten unterhalb einer gewissen Grenze mit dem Spin-Coat-Verfahren nicht herzustellen sind. Allgemein unterstützten die gewonnenen Ergebnisse die vorliegenden Annahmen bezüglich Dynamik und Kriechverhalten.

Polymers find wide application in biology and medical research. They can simulate the properties of some bio-composites, which are included into the cell structure of all living organisms. The application of polymers as building materials of membranes has pushed forward the investigation of polymer thin films and multilayers. Moreover, polymers are of big importance in microelectronic and coating industry. With the development of high-flux neutron and X-ray sources, surface and interface scattering methods became feasible techniques for structure studies. Due to the experimental difficulties a successful setup for scattering experiments on confined films with thicknesses of about a few hundreds of Angstroms is still not available. The development of an experimental setup that can confine liquid ultra thin films and simultaneously allows X-ray reflectivity and diffuse scattering measurements was attempted in the frame of this work. The thesis is organized as follows: After a short overview of previous literature data and results, the reflectivity theory is summarized. The experimental part is divided into two sections: The first deals with the time averaged dynamics of supported polymer thin films and the second with confined liquid and polymer films. In the first part the influence of thermally induced fluctuations on the polymer surface stucture depending on the film thickness, the molecular mass and the temperature is studied. The surface structure is probed by X-ray reflectivity and diffuse scattering measurements. In the second part a new setup for confined soft matter films is introduced. It was tested with liquid films of carbon tetrachloride (CCl4) and octamethylcyclotetrasiloxane (OMSTS). Additionaly, results of test experiments on confined polymers are presented. Polystyrene thin films have been studied depending on the molecular mass, film thickness, temperature and the hydrophobisites of the substrate. The diffuse scattering X-ray data have been refined using the Liquid model based on the capillary wave theory and the Fractal model describing the solid surfaces. The comparison of the two models shows that the surface structure of the polymer films is more similar to those of the solid surface then to the liquid one. The experimental data reveal that the observation of the cutoffs on the diffuse scattering curve depends on the molecular mass of the polymer and the film thickness. Differences in the structure of the polymer films deposited on the hydrophobic and hydrophillic were not found. This is probably due to the observed unstability of the hydrophobic substrates with the temperature and the storage time. In the frame of the experiments with liquids and polymers in confined geometry it was possible to build and test a special cell, which allows scattering measurements of confined fluids over areas in the square mm range and with gap sizes of some hundreds of Angstroms. The experiment with the liquids shows that impurities on the substrates strongly hinder the confinement process. They bend the wafer surfaces and destroy the interference fringes in the reflectivity curves. Moreover, from the polymer experiments it turned out that due to the small confinement area it is not possible to spin-coat a uniform film less than a few thousands of Angstrom, on the wafers. Thus, other techniques have to be developed. The behaviour of the confined polymer films, however, support the assumptions about the sluggishness of the dynamics in confined matter.

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