Caractérisation de surface de couches minces de polymère à l'aide de la microscopie à force atomique

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction

La microscopie à force atomique a été largement appliquée pour acquérir une topographie de surface 3D haute résolution à l'échelle micro et nanométrique. Au fur et à mesure que la technologie AFM a évolué, différents modes ont été développés afin qu'un large éventail de types de données puisse être collecté afin d'obtenir différentes informations sur l'échantillon examiné. Ici, nous introduisons un mode mécanique appelé imagerie d'amplitude de résonance de contact. Les techniques de résonance de contact sont une classe de méthodes AFM à contact dynamique dans lesquelles un actionneur piézoélectrique est utilisé pour l'excitation CR. Les méthodes CR opèrent délibérément au voisinage d'une résonance. La fréquence élevée de l'exciatation dynamique (kilohertz à mégahertz) utilisée dans les méthodes CR permet également une meilleure sensibilité aux petits changements dans les propriétés mécaniques par rapport aux approches quasi-statiques, en raison de la moyenne temporelle de la réponse aux vibrations en porte-à-faux. L'opération de quasi-résonance exploite le fait que la fréquence et l'amplitude du module élastique de l'échantillon en raison des forces d'interaction pointe-échantillon. Dans l'imagerie d'amplitude de résonance de contact, des informations de module qualitatives peuvent être obtenus en surveillant les changements relativement importants d'amplitude du signal qui se produisent près de la résonnance. Dans l'image d'amplitude CR résultante, l'intensité du signal correspond à l'amplitude de la vibration en porte-à-faux à la fréquence d'excitation. A son tour, la variation de l'amplitude des vibrations en porte-à-faux dans tout l'échantillon dépend de la rigidité élastique relative ou du module de divers composants de l'échantillon. 

Dans ce rapport d'application, nous comparons l'imagerie d'amplitude de résonance de contact avec le mode de tapotement. Dans CR Amplitude Imaging, la déviation en porte-à-faux est maintenue constante, similaire au mode de contact, tandis qu'une très petite amplitude (généralement inférieure au nm) module le porte-à-faux et l'amplitude et la phase de cette modulation sont détectées. Les changements d'amplitude et de phase sont corrélés aux propriétés mécaniques de la surface comme la rigidité et la dissipation. 

2. Expérimental

Un mélange de polymère de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et de polystyrène-butadiène-styrène (SBS) a été déposé par centrifugation sur une tranche de silicium. Le film mince a ensuite été imagé par le Tosca AFM en utilisant le mode de taraudage et l'imagerie d'amplitude de résonance de contact dans des conditions ambiantes. Mode de taraudage utilisé en oprte-à-faux Arrow NCR. CR Amplitude Imaging a utilisé le cantilever Arrow FMR, appliquant la fréquence de résonance de contact à environ 800 kHz.

3. Résultats et discussion

Sur les images on peut voir la topographie de surface et l'image de phase correspondante acquise en mode tapotement. Il est clairement observé que le mélange polymère PMMA / SBS présente une structure de surface à deux phases séparées. Selon nos études précédentes, la caractérisation de la surface du polymère par AFM et la caractérisation des propriétés mécaniques de surface des revêtements de polymère à l'aide des courbes de distance de force AFM. La couleur plus claire de l'image de phase suggère que les régions contiennent des matériaux plus souples ou plus adhésifs, SBS dans ce cas. Par conséquent, nous pouvons déterminer dans l'image de hauteur que les régions claires sont des régions PMMA et les régions sombres sont des régions SBS. Ensuite, les images la topographie de surface, l'amplitude et les images de phase acquises par imagerie d'amplitude de résonance de contact. Ici, une distribution plus détaillée des matériaux est divulguée. Dans l'image d'amplitude, les régions PMMA montrent un contraste clair avec les régions SBS. Cependant, on remarque que les régions PMMA et SBS ont montré des structures granulaires avec un constraste de couleur uniforme. Cela suggère qu'aucune des régions n'est homogène, c'est-à-dire que chaque région est riche en un polymère, mais contient encore une certaine quantité de l'autre. Le même phénomène peut également être observé dans l'image de phase avec un contraste de couleur inversé. Cela explique également pourquoi dans notre étude précédente du même échantillo, la caractérisation des propriétés mécaniques de surface des revêtements polymères à l'aide des courbes de distance de force AFM, le module mesuré de chaque phase polymère s'écartait des valeurs typiques pour le PMMA pur et le SBS. 

4. Résumé

Nous avons utilisé avec succès l'imagerie d'amplitude de résonance de contact pour étudier la structure de surface d'un mélange de polymères PMMA / SBS. Etant donné que l'imagerie d'amplitude CR est dérivée du mode de contact, l'amplitude et la phase ne sont pas influencées par l'adhésion pointe / échantillons. Par rapport au mode taraudage, CR Amplitude Imaging fournit une meilleure compréhension de la distribution de surface des composants polymères uniquement en raison de leurs différentes propriétés mécaniques telles que la rigidité.