In einer Kollaboration zwischen der Advanced Materials and Life Science Division am Istituto Nazionale Ricerca Metrologica (INRiM), der nationalen Metrologie-Einrichtung Italiens, der Polytechnischen Universität Turin, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Berlin und der Universität Paderborn hat eine Gruppe von Wissenschaftlern die Infiltration von Aluminiumoxid in geordnete Nanostrukturen aus dem Block-Copolymer PS-b-PMMA untersucht und die Ergebnisse nun in einem Cover-Artikel in ACS Applied Polymer Materials vorgestellt.
Block-Copolymere erlauben die Erzeugung kleinster Strukturen auf Halbleiteroberflächen und ermöglichen daher zukunftsweisende Verfahren, um mikroelektronische Bauelemente der nächsten Generation weiter zu miniaturisieren. Die dabei erreichbaren Strukturgrößen sind nur von der Länge der Polymerketten bestimmt und können daher kleiner werden als Strukturen, die man selbst bei größtem Aufwand mit herkömmlichen Lithographietechniken herstellen kann. Durch die weiter voranschreitende Miniaturisierung ergibt sich gleichzeitig ein Bedarf an Messmethoden und Größenstandards, um entsprechend kleine Strukturen zu analysieren. Auch hier helfen Block-Copolymere, allerdings erst, nachdem die chemischen Unterschiede zwischen den beteiligten Polymersorten durch selektive Veränderung eines der Polymere gesteigert wurden. Durch den selektiven Einbau von Aluminiumoxid in die PMMA-Mikrodomänen von PS-b-PMMA mittels sequentieller Infiltrationssynthese lassen sich Nanostrukturen herstellen, an denen solche neuen Messverfahren erprobt werden können. Hierbei werden die Polymere abwechselnd hohen Drücken von Dämpfen ausgesetzt, die in einem der Polymerblöcke transportiert werden und in dem anderen zu einer festen anorganischen Verbindung reagieren. Im hier untersuchten Fall diffundieren Trimethylaluminium und Wasserdampf abwechselnd durch das Polystyrol (PS) und bilden im Polymethylmetacrylat (PMMA) Aluminiumoxid. Die Eindiffusion von Aluminium in die beteiligten (Block-Co-)polymere wurde auf der Nanometerskala mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie im Rastertransmissions-Elektronenmikroskop (STEM-EDX) in Paderborn analysiert und mittels Röntgenfluoreszenzanalyse unter streifendem Einfall (GIXRF) an einer Beamline der PTB am Bessy II Synchrotron in Berlin quantifiziert. STEM-EDX ermöglicht die Visualisierung von Elementverteilungen in einem Material mit höchster Ortsauflösung, GIXRF eine schnelle, zerstörungsfreie und absolute (standardfreie) Quantifizierung der Massenkonzentration eines Elements ex-situ. Begleitend dazu wurden Tiefenprofile der Aluminiumverteilung mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) in Turin gemessen.
Die künstlerische Darstellung auf dem Cover von ACS Applied Polymer Materials zeigt die Fluoreszenzanregung eines Aluminiumatoms durch einen Röntgenstrahl, der auf das von Trimethylaluminium- und Wassermolekülen umgebene Block-Copolymer einfällt. Die jetzt erschienene Veröffentlichung von Eleonora Cara, Philipp Hönicke, Yves Kayser, Jörg K. N. Lindner, Micaela Castellino, Irdi Murataj, Samuele Porro, Angelo Angelini, Natascia De Leo, Candido Fabrizio Pirri, Burkhard Beckhoff, Luca Boarino, and Federico Ferrarese Lupi ist frei zugänglich unter https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsapm.2c02094.
