Instabilities in thin polymer films: structure formation and pattern transfer
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Zusammenfassung
Die Forschung an dünnen Polymerfilmen wird durch das fundamentale Interesse an Benetzungsphänomenen und an den Wechselwirkungen von Flüssigkeiten in der Nähe von Oberflächen angespornt. Instabilitäten in dünnen Filmen - in dieser Arbeit, elektrohydrodynamischer, thermomechanischer und akustischer Natur - können wertvolle Informationen ueber Wechselwirkungen mit Oberflächen liefern.
Hohe elektrische Felder und Temperaturgradienten in einem geschichteten experimentellen Aufbau (leitendes Substrat - Polymerfilm - Luftspalt - Gegenplatte) erzeugen Oberflächendrücke, die die Oberflächenspannung überwinden können, und dünne, flüssige Filme destabilisieren. Die resultierende Morphologie weist eine charakteristische Periodizität auf, dessen Größenordnung und Skalenverhalten sich in Einklang mit Instabiltätstheorien befinden.
Während die Struktur der Polymerfilme spontan entsteht, wird deren Kontrolle durch sich lateral ändernde, angelegte Felder erreicht. Dahingehend wird die plane, obere Platte durch eine topographisch strukturierte Scheibe, die als Schablone dient, ersetzt. Das Polymer reproduziert die Schablone mit großer Genauigkeit auf einer Längenskala von sub-Mikrometern, möglicherweise sub-100 Nanometern. Zwei neue lithographische Techniken sind aufgrund dieses Prinzips entstanden.
Instabilitäten in dünnen Filmen sind prädestiniert zur Untersuchung von Nichtgleichgewichtsstrukturbildung in zwei Dimensionen. Besonders die neuartige thermomechanische Instabilität und die nahe verwandte akustische werfen viele Fragen auf, die mit der Ausbreitung von Phononen in polymeren Gläsern und dünnen Filmen zusammenhängen. Die resultierende Vielfalt an beobachteten Morphologien ist faszinierend und bemerkenswert. - Dokument 1 für Lesen am Monitor, Dokument 2 für doppelseitigen Ausdruck, Dokument 3 für einseitigen Ausdruck.
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Research in thin polymer films is driven by a fundamental interest in wetting and in the interactions of liquids near surfaces. Furthermore, the immense realm of technological applications inspires ever new developments and enthusiasm. Instabilities in thin films - here, electrohydrodynamic, thermomechanical and acoustic in nature - can provide valuable information about surface interactions. This knowledge can then be exploited to develop new technologies.
High electric fields and temperature gradients in a sandwich-like setup (conducting substrate - polymer film - air gap - counter plate) generate interfacial pressures that can overcome the surface tension and destabilize a thin liquid film. The scaling with the order parameter of the system and the magnitude of the characteristic length scale of the resulting morphology are well described by instability theories.
While the topography of the polymer film develops spontaneously, control of the structure is achieved by laterally varying the applied fields. To this end, the flat upper plate is replaced by a topographically patterned master. The polymer forms a positive replica of the master pattern with sub-micron, possibly sub-100 nanometer precision. Two new lithographic techniques evolve from this principle using electric fields and temperature gradients.
Although we understand the basic mechanisms behind the instabilities, higher order effects are ideally suited to study non-equilibrium pattern formation in two dimensions. Especially the novel thermomechanical instability and the closely related intrinsic acoustic instability open up many questions associated with the propagation of phonons in polymeric glasses and thin films in general. The variety of the different observed morphologies is fascinating, amazing, and far from understood. - Dokument 1 for online reading, Dokument 2 for double-sided printing, Dokument 3 for single-sided printing.
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ISO 690
SCHÄFFER, Erik, 2001. Instabilities in thin polymer films: structure formation and pattern transfer [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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