Topographie, Struktur und Dynamik thermisch aufgedampfter Polymerfilme

Abstract

Die Untersuchung dünner Filme ist im Rahmen der Nanostrukturierung und der immer weiter voranschreitenden Miniaturisierung elektronischer Bauelemente ein wichtiges Forschungsgebiet. Dabei spielt die Frage nach der Stabilität und der selbstorganisierten Strukturbildung von dünnen Polymerfilmen eine entscheidende Rolle. Diese werden stark von der Dynamik an Grenz- und Oberflächen beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit werden zur Untersuchung dieser Dynamik sowohl Molekulardynamik (MD) Simulationen als auch eine Kombination aus Experimenten und der Modellierung mit stochastischen Ratengleichungen in einem Kontinuumsmodell verwendet. Außerdem ist zur Messung lokaler mechanischer Eigenschaften ein akustisches Rasterkraftmikroskop (AFAM) in Betrieb genommen worden.In den MD Simulationen wird der Einfluss von freien Oberflächen auf die Dynamik des Systems, vor allem auf die Kinetik des Transports und auf Relaxationen der Konformationen, mit einem vereinfachten Polymermodell (Federmodell) in einem weiten Temperaturbereich um die Glasübergangstemperatur herum betrachtet. Dabei zeigt sich eine deutliche Erhöhung der Dynamik zu den Oberflächen hin. Durch die Bestimmung der Aktivierungsenthalpien für beide Arten der Dynamik wird gefolgert, dass beide auf denselben molekularen Relaxationsprozessen beruhen und somit diffusive und konformative Dynamik gekoppelt sind.Im experimentellen Teil der Arbeit werden Polycarbonat (PC)-Filme durch thermisches Aufdampfen im Vakuum auf verschiedenen Substraten hergestellt und anschließend charakterisiert. Wie Fourier Transformations Infrarotspektroskopie-, Größenausschlusschromatographie- und Massenspektrometrie-Untersuchungen zeigen, bleibt die Bindungsstruktur im Wesentlichen erhalten, wohingegen die Kettenlänge deutlich reduziert wird. Messungen der Topographie mit dem Rasterkraftmikroskop zeigen bei sehr dünnen Schichten auf Si, SiO2 und GaAs Substraten eine ausgeprägte Struktur mit grabenartigen und runden Vertiefungen, die große Ähnlichkeit mit der Struktur von entnetzenden Polymerfilmen haben. Außerdem sind diese Schichten nicht stabil, sondern entnetzen über einen Zeitraum von mehreren Wochen. Dickere Filme und Schichten auf PC Substraten dagegen bilden homogene, glatte und stabile Schichten.Die dominierenden Wachstumsprozesse werden mit Hilfe eines minimalen Kontinuumsmodells untersucht, das neben der Deposition nur die durch das chemische Potential getriebene Oberflächendiffusion beinhaltet und das die wesentlichen Strukturen des Wachstums von PC auf PC und von PC auf GaAs reproduzieren kann. Dabei ist das chemische Potential ist aus Beiträgen aus der Oberflächenkrümmung und dem effektiven Grenzflächenpotential, dessen wesentlicher Parameter die Hamaker-Konstante ist, zusammengesetzt.