测量高分子镀层在微纳尺度下的粘附能

高分子镀层在能源、催化、微电子等诸多领域都有着重要的应用。测量高分子镀层与基板间的粘附能不仅可以让学术界进一步研究界面物理,也能让工业界定量评估这些镀层的寿命与稳定性。尽管“粘合”现象已有百年的研究历史,但当尺度变小的时候,对粘附能进行测量依然存在难度。

从实用性的角度出发,随着近些年纳米技术的发展,器件尺寸变小,因此在小尺度下进行粘附能的测量变得愈加重要。从学术研究的角度出发,这样的测量能用以研究界面的微观性质和性能。目前常用的方法尽管相对复杂,却依然存在较大误差。常规的机械剥离法会造成大量无用功耗散,而另一种常用的原子力显微镜(AFM)测量法则要先将镀层和基板表面暴露于大气中再进行测量,但如此一来,大气中的水汽和污染物颗粒会附着在界面上,从而造成测量误差。因此,目前仍需更加先进的测量方法,既能做到准确测量,又能做到在小尺度进行测量。

而这样的方法其实可以非常简单:利用冷凝现象就可以用来进行相关测量。水蒸汽在过冷表面的冷凝是十分常见、且与我们的生活息息相关的现象。在冬天,从寒冷的室外进入温暖的室内时,过冷的眼镜表面会因为冷凝现象蒙上一层水雾;在夏天,从冰箱拿出来的可乐会因为冷凝现象在表面形成水珠。

近期,伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Jingcheng Ma (马景铖), David G. Cahill教授以及Nenad Miljkovic教授发现只要冷却高分子镀层,使大气中的水蒸气冷凝在其上时,一部分水蒸气则会透过薄膜里纳米尺寸的孔洞缺陷,渗透至镀层薄膜与基板的界面进行冷凝,并形成微米尺寸的水泡。这些水泡的形状与薄膜的吸附能直接相关,因此可以通过测量水泡的大小形状来计算薄膜在微米尺寸的粘附能。这项技术可以用于厚度至少为10 nm的薄膜镀层,以及可以达到1 μm的空间分辨率和1 mJ/m2的能量分辨率。

该研究提供了一种非常简单却又准确的粘附能测量方法,并能在小尺度下进行测量。这项研究对于进一步研究微观界面现象,以及表征镀层可靠性均有着深远影响。研究文章发表于纳米科学顶级期刊之一的《Nano Letters》。

测量高分子镀层在微纳尺度下的粘附能

图片:(左)微米级冷凝水泡的示意图(中)通过纳米压痕技术制造的水泡阵列(右)通过水泡阵列测得的30 nm氟基聚合物-二氧化硅粘附能图谱

参考文献:

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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