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Struktur und Dynamik von Blockcopolymeren in dünnen Filmen

Heckmann, Rosa Marianne :
Struktur und Dynamik von Blockcopolymeren in dünnen Filmen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Struktur und Dynamik von Blockcopolymeren in dünnen Filmen
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir Diblockcopolymere in dünnen Schichten unter verschiedenen Aspekten: Für Blockcopolymere, die in der Schmelze Zylinder ausbilden, werden die Gleichgewichtsmorphologien in einem dünnen Film bestimmt. Die Wände des Films können eine der Monomerarten bevorzugen. In Abhängigkeit von der Wandaffinität und der Dicke des Films wird ein Phasendiagramm mit den stabilen Morphologien erstellt. Wir benutzen zwei Methoden: die selbstkonsistente Feldtheorie und die Strong Stretching Theory. Da freie Energien von Gleichgewichtsmorphologien sich häufig nur um wenige Prozent unterscheiden, müssen wir bei der Implementierung der selbstkonsistenten Feldtheorie sehr vorsichtig sein, denn die numerischen Fehler können von derselben Größenordnung sein. Aus diesem Grund gehen wir bei der Bestimmung der Gleichgewichtsstruktur sehr sorgfältig vor. Wir diskutieren die Stabilität von hexagonal perforierten Lamellen und zeigen, dass diese im untersuchten Parameterbereich nur eine metastabile Morphologie darstellen können oder aufgrund von numerischen Fehlern stabil erscheinen. Auch für die Bereiche starker Segregation, die wir im Rahmen der Strong Stretching Theory untersuchen, können wir die Stabilität von hexagonal perforierten Lamellen durch einfache Abschätzungen ausschließen. Wir untersuchen außerdem im Rahmen der dynamischen selbstkonsistenten Feldtheorie die Strukturbildung von symmetrischen Diblockcopolymeren in dünnen Filmen, die dem Blockcopolymergemisch ein Streifenmuster aufzwingen. Wir interessieren uns hierbei für die Zeitskalen, in denen das System ordnet und für die Zwischenzustände, die das System durchläuft. Wir variieren die aufgezwungene Periode für das lamellare Muster und messen, wie gut das Blockcopolymergemisch dann ordnet. Aufgrund des numerischen Aufwandes für die Integration eines Zeitschrittes beschränken wir unsere Untersuchungen auf zweidimensionale Systeme. Außerdem entwickeln wir eine Methode, mit der man elektrische Felder in Single-Chain-In-Mean-Field-Simulationen berücksichtigen kann. Wir lösen die Maxwellgleichung für das Potential numerisch und können anhand von ein- und dreidimensionalen Testprogrammen zeigen, dass diese Methode geeignet ist, den Effekt eines starken elektrischen Feldes in SCMF-Simulationen einzubinden. Wir präsentieren ein Phasendiagramm für ein symmetrisches Diblockcopolymergemisch, in dem die Ausrichtung der Lamellen in einem dünnen Film in Abhängigkeit von der Wandaffinität und dem angelegten elektrischen Feld dargestellt sind.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this thesis we investigate different aspects of diblock copolymer films. We determine the equilibrium morphologies for cylinder forming blockcopolymers in thin films. We employ both Self-Consistent Field Theory and Strong Stretching Theory in order to obtain a phase diagram for these films as a function of the affinities of the minority component to the walls and the film thickness. Since the free energies of different morphologies often differ only by a few percent, we are very careful in classifying the equilibrium morphology, since the numerical inaccuracies can be of the same order of magnitude. We argue that hexagonal perforated lamellae can only be metastable morphologies, and may seem stable as a result of numerical errors. In the framework of Dynamic Self-Consistent Field Theory we investigate the dynamics of symmetric diblock copolymers in thin films which impose a stripe pattern on the morphology. The stripe pattern is created by alternating affinities to the wall for one of the monomer species. We vary the period of the stripe pattern and measure how well the system orders into this pattern. We are also interested in different ordering processes and the time scales on which the dynamics takes place. We also develop a method for including strong electric fields in Single-Chain-In-Mean-Field-Simulations, where we numerically solve Maxwell's equation for the potential in a thin film. We observe that lamellae become oriented along the electric field even if the affinity to the walls favors the orientation parallel to the walls. Additionally, for a one-dimensional system, we observe that ordering is destroyed by strong electric fields.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 09 Mar 2011 09:16
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24766
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Identification Number: 5
Referees: Drossel, Prof. Dr. Barbara and Stühn, Prof. Dr. Bernd
Refereed: February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2476
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