20.04.2023 Ι Ein internationales Forschungsteam hat die sequenzielle Infiltrationssynthese in nanostrukturierten Polymeren untersucht. Ihr Ziel: Sie wollen funktionelle Nanomaterialien mit kontrollierbaren Eigenschaften entwickeln. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler:innen nun in einem Cover-Artikel in „ACS Applied Polymer Materials“ veröffentlicht.

Wissenschaftler:innen der Universität Paderborn, des Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) – der nationalen Metrologie-Einrichtung Italiens –, der Polytechnischen Universität Turin (Politecnico di Torino) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin haben die sogenannte sequenzielle Infiltrationssynthese in nanostrukturierten Blockcopolymeren untersucht. Damit wollen sie die Möglichkeiten zur Charakterisierung von Materialeigenschaften auf kleinsten Längenskalen verbessern. Dabei geht es um Materialien, die im Bereich weniger Nanometer strukturiert sind. Das sind zum Beispiel Materialien für zukünftige Computerchips, Energiewandlungs- und -speicherungsprozesse oder molekulare Siebe unerlässlich.

Entwicklung funktioneller Nanomaterialien

Die sequentielle Infiltrationssynthese (SIS) von anorganischen Materialien in nanostrukturierten Blockcopolymeren hat in den letzten Jahren rasche Fortschritte gemacht, um funktionelle Nanomaterialien mit kontrollierbaren Eigenschaften zu entwickeln. Um diese rasante Entwicklung zu unterstützen, müssen die Möglichkeiten der zerstörungsfreien Methoden zur quantitativen Charakterisierung der Materialeigenschaften erweitert werden. In der Publikation charakterisieren die Forschenden den SIS-Prozess an drei Modellpolymeren mit unterschiedlichen Infiltrationsprofilen durch Ex-situ-Quantifizierung mittels referenzfreier Röntgenfluoreszenz mit streifendem Einfall. Qualitativere Tiefenverteilungsergebnisse validierte das Team mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Rastertransmissionselektronenmikroskopie in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie.

Charakterisierung der Materialeigenschaften

In Paderborn arbeitet das Team um Physiker Prof. Dr. Jörg Lindner mit nanostrukturierten Blockcopolymeren. Das sind miteinander verknüpfte Polymerketten, die von alleine „selbstorganisiert“ regelmäßige Muster bilden und damit verschiedenste Anwendungen ermöglichen. „Die Beherrschung der Selbstorganisation von Blockcopolymeren hat in den vergangenen Jahren rasante Fortschritte gemacht“, sagt Lindner. Um diese Entwicklung weiter voranzutreiben, müssen allerdings zerstörungsfreie Methoden zur Charakterisierung der Materialeigenschaften erweitert werden.

Bauelemente in Miniaturform

Blockcopolymere erlauben die Erzeugung kleinster Strukturen auf Halbleiteroberflächen und damit zukunftsweisende Verfahren, um mikroelektronische Bauelemente der nächsten Generation weiter zu miniaturisieren.

„Die damit erreichbaren Strukturgrößen sind nur durch die Länge der Polymerketten bestimmt und können daher kleiner werden als Strukturen, die man selbst bei größtem Aufwand mit herkömmlichen Techniken herstellen kann. Durch die voranschreitende Miniaturisierung ergibt sich gleichzeitig ein Bedarf an neuen Messmethoden und Größenstandards, um entsprechend kleine Strukturen zu analysieren. Auch hier helfen Blockcopolymere. Allerdings erst, nachdem die chemischen Unterschiede zwischen den beteiligten Polymersorten durch die selektive Veränderung eines der Polymere gesteigert wurden. Durch den selektiven Einbau von Aluminiumoxid mittels sequentieller Infiltrationssynthese lassen sich Nanostrukturen herstellen, an denen solche neuen Messverfahren erprobt werden können“, erklärt Lindner.