Forschung

Laissez-faire der Materialforschung soll optische Systeme voranbringen

16.07.2019 - Selbstanordnende Blockcopolymere erzeugen ungewöhnliche Quasikristallsymmetrien.

Die gezielte Nano­struktu­rierung von Oberflä­chen zur Schaf­fung neuer Mate­ri­aleigen­schaften ist ein seit lan­gem etablier­tes er­folgrei­ches Ver­fahren. Was pas­siert, wenn man den Molekü­len zu­min­dest teilweise ihre ei­gene An­ordnung selbst über­lässt, ist For­schungs­gegen­stand der immer mehr an Bedeu­tung ge­winnen­den Un­tersu­chungen an „Self-as­sembling Materi­als“. Zu dieser Material­klasse gehören auch die soge­nannten Blockco­poly­mere. Diese Po­lymere setzen sich aus ver­schie­denen Mo­no­meren zusam­men und sind in der Lage, eine Viel­zahl vor­herseh­barer, re­gelmä­ßi­ger Muster zu bilden. Einer Forscher­gruppe des Mas­sachus­etts Insti­tute of Techno­logy (MIT) um den Postdoc Yi Ding sowie die Pro­fessoren für Ma­terialwis­sen­schaft und Inge­nieurwe­sen Alf­redo Ale­xander-Katz und Caroline Ross ge­lang es nun erst­mals, dieses Material zu viel komp­le­xeren Mustern zu verar­beiten und da­mit neue Bereiche der Ma­terialent­wicklung zu er­schlie­ßen.

„In gewisser Weise verdan­ken wir diese Entde­ckung ei­nem glückli­chen Zu­fall“, freut sich Alexan­der-Katz. „Alle dachten, dies sei nicht möglich", sagt er und be­schreibt die Ent­deckung eines Phäno­mens, das es den Poly­meren er­mög­licht, sich selbst in Mustern zusam­menzu­setzen, die von her­kömmli­chen symmet­rischen Arrays abwei­chen.

Selbstanordnende Blockco­poly­mere sind Ma­terialien, deren zu­nächst ungeord­nete ket­tenar­tige Moleküle sich spontan zu perio­dischen Struktu­ren an­ordnen. Auf ei­nem Sub­strat mit sich wie­derho­lendem Linien- o­der Säu­lenmus­ter dupli­ziert ein dünner Film des Blockco­polymers bei der Selbst­an­ordnung die Mus­ter des Sub­strats. Aber diese Methode konnte nur ein­fache Mus­ter wie Punkt­raster o­der Li­nien er­zeu­gen.

In dem neuen Verfah­ren wer­den zwei verschie­dene, nicht aufei­nander ab­ge­stimmte Muster zu­sam­menge­führt. Das eine stammt aus ei­nem Satz von auf ein Sub­stratma­terial ge­ätzten Säulen o­der Li­nien, das andere ist ein ei­genstän­diges Muster, das durch ein selbst zu­sammen­gefügtes Copoly­mer er­zeugt wird. So kann bei­spiels­weise ein recht­eckiges Muster auf dem Substrat mit einer hexago­na­len Struktur des Co­polymers selbst kombi­niert wer­den. Man könnte erwar­ten, dass die resul­tierende Block­co­polymer­anord­nung schlecht ist, statt­dessen „bildete sich et­was, das viel un­er­warte­ter und kompli­zierter war", so Ross.

Es stellte sich her­aus, dass eine subtile, kom­plexe Art von Ord­nung entstand – inei­nander grei­fende Bereiche, die leicht unter­schiedli­che, aber regelmä­ßige Muster bildeten, ähnlich den Qua­sikris­tal­len, in denen sich die Muster nicht ganz so regel­mä­ßig wie­derholen wie in norma­len Kris­tallen. „Im Fall des Block­co­­poly­mer­­materials werden moleku­lare Pro­zesse ge­nutzt, um diese, sich über weitere Entfer­nungen wieder­holende Muster auf der Oberflä­che zu erzeu­gen“, er­klärt Ross.

Dies eröffnet neue Möglich­keiten, Geräte mit maß­geschnei­derten Eigen­schaften für opti­sche Sys­teme o­der für „plasmo­nische Geräte“ herzu­stellen, bei de­nen elektro­magneti­sche Strah­lung mit den Elektro­nen des Materials präzise abge­stimmt in Reso­nanz tritt. Sol­che Vor­richtun­gen er­fordern eine sehr genaue Positio­nierung und Sym­metrie von Mus­tern mit nanoska­ligen Ab­messun­gen – eine der Stärken des neuen Verfah­rens.

Die mit die­sem Ver­fahren erzeug­ten Mus­ter sind „ein Er­gebnis der Frustra­tion zwi­schen dem Muster, das das Polymer bilden möchte, und der Vorlage“, erklärt Alexan­der-Katz. Diese Frustra­tion führe zu einem Bruch der ur­sprüngli­chen Sym­met­rien und der Schaf­fung neuer Subregi­onen mit ver­schie­denen Arten von Sym­metrien. „Das ist die Lö­sung, die die Natur gefun­den hat: Beim Versuch, sich in die Be­ziehung zwischen diesen beiden Mustern einzufü­gen, kommt es zu ei­ner drit­ten An­ord­nung, die die Muster von bei­den bricht – einem Übergit­ter.“

Nach der Ent­wicklung dieser neuarti­gen Struktu­ren er­ar­bei­te­te das Team Model­le zur Erklä­rung des Prozes­ses. Co-Autor Dr. Karim Gadelrab sagt: „Die Mo­dellie­rungsar­beiten haben gezeigt, dass die auftau­chenden Muster tat­säch­lich ther­modyna­misch stabil sind, und haben die Be­dingun­gen auf­ge­zeigt, unter de­nen sich die neuen Muster bilden wür­den.“

Erstautor Ding freut sich darüber, dass das neue System in Bezug auf die Thermo­dynamik voll ver­standen ist und die Er­zeugung feiner Muster und neuer Symmet­rien ge­stattet, die sonst schwer her­zu­stellen wären. Damit fielen bisherige Ein­schrän­kungen bei der Gestal­tung op­tischer und plas­moni­scher Materia­lien weg, und ei­nen neu­en Weg für die Ma­terialge­staltung wäre ge­schaf­fen.

Bis­her war die Ar­beit des Teams auf zwei­dimensi­onale Oberflä­chen be­schränkt, aber in der lau­fenden Arbeit hoffen die Wis­sen­schaftler, den Pro­zess in die dritte Dimen­sion aus­zudeh­nen. Die drei­di­mensio­nale Fer­tigung wäre ein Wende­punkt, urteilt Ross. Fertigun­gen für Mikroge­räte er­folgten derzeit schicht­weise, aber wenn man ganze Objekte in 3-D auf ein­mal auf­bauen könnte, würde das den Pro­zess viel effizien­ter ma­chen.

MIT / LK

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