Electric field effects on alignment of lamellar structures in diblock copolymer thin films studied by neutron scattering

Abstract

Wir untersuchten die Orientierung von Lamellen in dünnen Filmen eines P(S-b-MMA)-Copolymers unter dem Einfluss von Oberfläche und senkrecht zur Oberfläche angelegtem elektrischen Feld. Die Oberfläche richtet die Lamellen parallel zur Oberfläche aus, während das elektrisch Feld die Lamellen senkrecht zur Oberfläche ausrichtet. Mit Neutronenreflektometrie, diffuser Neutronenstreuung, und Neutronenkleinwinkelstreuung wurde die Struktur der Filme quantitativ analysiert. Die Filmdicke hat einen grossen Einfluss auf die Struktur der Filme. Nach dem Tempern wird eine komplette Orientierung durch die Oberfläche in den dünnen Filmen beobachtet. Die parallele Orientierung bleibt auch dann stabil wenn ein elektrisches Feld mit ungefähr 40V/µm angelegt wird. In den dickeren Filmen wir eine uneinheitliche Orientierung nach dem tempern beobachtet. Die Lamellen in den Grenzflächen richten sich parallel zur Oberfläche aus und die in der Mitte gelegenen senkrecht zur Oberfläche. Die uneinheitliche Orientierung wird durch Druck instabil und die Lamellen orientieren sich komplett parallel. Die durch Druck verursachte parallele Ausrichtung bleibt stabil solange das angelegte elektrische Feld schwächer als einige zehn V/µm ist. Nur ein Feld von ungefähr 40V/µm kann die uneinheitiche Orientierung stabilisieren. Eine vollständige senkrechte Orientierung wurde in unseren Experimenten nie beobachtet. Diffuse Neutronenstreuung zeigt eine mosaikartige Struktur ohne elektrisches Feld, wobei der Grad der Mosaikartigkeit durch das Drehmoment aufgrund des elektrischen Feldes steigt. Die laterale Korrelationslänge der lamellaren Domänen wird auf 1-2µm geschätzt. Der begrenzte qx-Bereich lässt keine klare Aussage über die Existenz der durch ein elektrisches Feld induzierten strukturellen Schwankungen, die durch die Theorie von Onuki vorhergesagt werden, zu.

We investigated the lamellar orientation in thin films of a diblock copolymer P(S-b-MMA), under competing effects of surface interactions and an electric field applied perpendicular to the substrate. The surface effects tend to align the lamellae parallel to the substrate while the electric field tends to align the lamellae perpendicular to the substrate. Using neutron reflectivity, neutron diffuse scattering, and neutron small-angle scattering, we achieved a quantitative analysis of the internal structure of the films. Film thickness was found to play a non-trivial role in determining the structure of the films. A complete alignment by the surface effects was observed in the thinner films by annealing. The parallel orientation remains stable even if an electric field as strong as 40V/µm is applied. In the thicker films, a mixed orientation with boundary layers parallel and the central part partially perpendicular to the substrate was observed after annealing. The mixed orientation becomes unstable under a small compressive stress, and will be converted into a completely parallel orientation. The parallel orientation induced by the compressive stress remains stable as long as the electric field is weaker than several ten V/µm. Only a field of about 40V/µm is able to stabilize the above mentioned mixed orientation. A fully perpendicular orientation was never observed in our experiments. Diffuse scattering shows a mosaic structure in the absence of an electric field, whose mosaicity will be increased by the torque exerted by an electric field. The lateral correlation length of the lamellar domains is estimated as 1-2µm. Limited by the small qx-range we have used, a clear statement on the existence of the electric-field-induced structural undulations predicted by the Onuki's theory cannot be made from our experiments.