Nanoestructuración de materiales poliméricos con morfología controlada. Ignacio Martín-Fabiani Soft and Condensed Matter Group IEM-CSIC 1

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1 Nanoestructuración de materiales poliméricos con morfología controlada Ignacio Martín-Fabiani Soft and Condensed Matter Group IEM-CSIC 1

2 Qué es un polímero? Una molécula de relativo alto peso molecular cuya estructura contiene la repetición múltiple de unidades derivadas de moléculas de relativo bajo peso molecular (IUPAC) Sencillamente Polimerización Temperatura de transición vítrea, T g Material T g (º C) Tyre rubber -70 PVDF -20 ipp 0 PET 70 PS 95 PC 150 2

3 Donde podemos encontrar polímeros? casi en cualquier lugar. Polímeros naturales Polímeros sintéticos 3

4 Cristalización en polímeros Habitualmente los polímeros semicristalinos cristalizan en forma de esferulitas Existencia de una importante cantidad de fase amorfa 4

5 Polímeros Alto peso molecular (moléculas muy grandes) Existencia de una temperatura de transición, T g, por encima de la cual sus cadenas se pueden movilizar. Pueden cristalizar, pero con regiones amorfas intercaladas. 5

6 Difracción de rayos X Ley de Bragg 2 ~ Para rayos X, λ~1å=0.1 nm Wide-Angle X-ray Scattering Información acerca de espaciados interatómicos (0.1-1 nm), λ Muestra 2θ 2θ Small-Angle X-ray Scattering Información acerca de largo espaciado ( nm) 6

7 Luz sincrotrón Líneas de luz Booster Acelerad or lineal Anillo de almacenamiento Alta intensidad Alta colimación angular Polarización lineal en el plano de la órbita Estructura temporal en forma de pulsos 7

8 Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) Detector m ω=0 GISAXS q z Herramienta sensible a la nanoestructuración (α i < 1 º) q y Promedia información sobre superficies mayores que algunas microscopías. h α f ω m α i h α=0 Correlaciones perpendiculares al plano de la muestra Muestra Correlaciones paralelas al plano de la muestra Haz incidente α i 8

9 Atomic Force Microscopy Detector Láser Punta A 0 Cantilever Muestra No destructiva Sin condiciones especiales (vacío etc.) Todo tipo de muestras Información acerca de topografía y otras propiedades (mecánicas, magnéticas, eléctricas ). 150x150 µm 2 (0-70 nm en z) 10x10 µm 2 (0-120 nm en z) 9

10 Spin-Coating Proceso para obtener películas delgadas (espesor < 10 3 nm) Al final del proceso obtenemos una película delgada polimérica soportada sobre un sustrato de silicio. 10

11 Laser Induced Periodic surface Structures (LIPSS) Láser La interferencia entre la luz incidente y la reflejada produce dunas con un periodo Λ~λ Es un efecto acumulativo, requiere varios pulsos. Hay que optimizar Muestra Parámetros del láser Longitud de onda (266 nm) Fluencia Número de pulsos 11

12 600 pulsos Fluencia 5 mj/cm 2 GISAXS Laser Induced Periodic surface Structures (LIPSS) Fluencia 13 mj/cm 2 GISAXS AFM AFM 5x5 µm 2 5x5 µm 2 12

13 Optimización de nanoestructuras Modelado: Red paracristalina unidimensional L L+ L L L- L La probabilidad de encontrar el siguiente elemento a una distancia L está determinada por una función de probabilidad Tenemos un periodo promedio Parámetros obtenidos por AFM GISAXS Ajuste Parámetro de distorsión paracristalina g Corte I/I 0-0,2 0,0 0,2 ω g=0 periodicidad perfecta Cuanto mayor más desorden 13

14 Optimización de nanoestructuras 5 mj/cm 2 10 mj/cm 2 14 mj/cm (a) 7 mj/cm (b) g g Log [Number of pulses] Fluence (mj/cm2) Valores óptimos de fluencia y número de pulsos! 14

15 Nanoimprint Lithography (NIL) Litografía por nanoimpresión Proceso litográfico por el que se transfieren motivos nanométricos de un molde a un sustrato Precisa del uso de salas blancas Prensa 15

16 Fabricación del molde II: lift-off PMMA Si E-beam Revelado, evaporación Al Lift-off 16

17 Fabricación del molde III: RIE Reactive Ion Etching SF 6 C4 F 8 O 2 17

18 Silanización Permite evitar que el polímero se adhiera al molde TFOCS 18

19 Nanoimprint Lithography (NIL) Molde Imprint Impresión 5x5 µm 2 5x5 µm 2 19

20 Nanoimprint Lithography (NIL) GISAXS Molde Imprint Por qué tenemos un patrón en forma de arco en lugar de uno de franjas como en LIPSS? 20

21 NIL La forma del patrón depende de la longitud del motivo W NIL vs LIPSS LIPSS R Simulaciones Por LIPSS obtenemos estructuras menos perfectas pero es menos costoso 21

22 Aplicaciones Pero para qué sirve fabricar y optimizar estas nanoestructuras? Cultivo celular Células fotovoltaicas Sensores Memorias ferroeléctricas Sustratos para SERS Intensity (a.u.) BT 10-3 M Nanostructured PTT Non-nanostructured PTT Wavenumber (cm -1 ) En términos generales, cualquier aplicación que precise de una elevada área específica 22

23 SOFMAT GROUP Soft and Polymeric Matter group /fmacro/softmatpol/ Ignacio Martín-Fabiani GRACIAS POR LA ATENCIÓN!!! 23

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