測量高分子鍍層在微納尺度下的粘附能

高分子鍍層在能源、催化、微電子等諸多領域都有著重要的應用。測量高分子鍍層與基板間的粘附能不僅可以讓學術界進一步研究界面物理,也能讓工業界定量評估這些鍍層的壽命與穩定性。盡管“粘合”現象已有百年的研究歷史,但當尺度變小的時候,對粘附能進行測量依然存在難度。

從實用性的角度出發,隨著近些年納米技術的發展,器件尺寸變小,因此在小尺度下進行粘附能的測量變得愈加重要。從學術研究的角度出發,這樣的測量能用以研究界面的微觀性質和性能。目前常用的方法盡管相對復雜,卻依然存在較大誤差。常規的機械剝離法會造成大量無用功耗散,而另一種常用的原子力顯微鏡(AFM)測量法則要先將鍍層和基板表面暴露於大氣中再進行測量,但如此一來,大氣中的水汽和污染物顆粒會附著在界面上,從而造成測量誤差。因此,目前仍需更加先進的測量方法,既能做到準確測量,又能做到在小尺度進行測量。

而這樣的方法其實可以非常簡單:利用冷凝現象就可以用來進行相關測量。水蒸汽在過冷表面的冷凝是十分常見、且與我們的生活息息相關的現象。在冬天,從寒冷的室外進入溫暖的室內時,過冷的眼鏡表面會因為冷凝現象蒙上一層水霧;在夏天,從冰箱拿出來的可樂會因為冷凝現象在表面形成水珠。

近期,伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Jingcheng Ma (馬景鋮)David G. Cahill教授以及Nenad Miljkovic教授發現隻要冷卻高分子鍍層,使大氣中的水蒸氣冷凝在其上時,一部分水蒸氣則會透過薄膜裡納米尺寸的孔洞缺陷,滲透至鍍層薄膜與基板的界面進行冷凝,並形成微米尺寸的水泡。這些水泡的形狀與薄膜的吸附能直接相關,因此可以通過測量水泡的大小形狀來計算薄膜在微米尺寸的粘附能。這項技術可以用於厚度至少為10 nm的薄膜鍍層,以及可以達到1 μm的空間分辨率和1 mJ/m2的能量分辨率。

該研究提供瞭一種非常簡單卻又準確的粘附能測量方法,並能在小尺度下進行測量。這項研究對於進一步研究微觀界面現象,以及表征鍍層可靠性均有著深遠影響。研究文章發表於納米科學頂級期刊之一的《Nano Letters》。

測量高分子鍍層在微納尺度下的粘附能

圖片:(左)微米級冷凝水泡的示意圖(中)通過納米壓痕技術制造的水泡陣列(右)通過水泡陣列測得的30 nm氟基聚合物-二氧化矽粘附能圖譜

參考文獻:

Ma, J., Cahill, D. G., & Miljkovic, N. (2020). Condensation Induced Blistering as a Measurement Technique for the Adhesion Energy of Nanoscale Polymer Films. Nano Letters.

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