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Nanoimprinting di polimeri fotoluminescenti

Scopo del lavoro di tesi è stato quello di realizzare strutture periodiche di dimensioni nanometriche su film sottili di materiali organici polimerici.
La tecnica utilizzata per realizzare tali strutture è stata quella dell’hot-embossing, più comunemente nota come nanoimprint lithography. La tecnica scelta permette di mantenere inalterate le proprietà caratteristiche dei materiali scelti come le proprietà di trasporto o le proprietà di tipo ottico; lo stesso risultato non si sarebbe potuto ottenere con tecniche alternative come la fotolitografia o la litografia elettronica(sebbene quest’ultima è stata usata in una fase propedeutica al lavoro di tesi).
Nella prima fase sono stati realizzati degli “stampi”, ovvero dei master di Silicio su cui sono stati definiti, mediante litografia a fascio elettronico (EBL), alcuni pattern (disegni periodici).
La realizzazione di tali master consta di diversi steps ovvero la deposizione sul subtrato di Silicio del resist elettronico, la fase di esposizione al fascio elettronico e lo sviluppo, la fase di evaporazione e lift-off ed infine quella di etching.
Successivamente si è passati alla caratterizzazione ottica e morfologica dei film di materiale polimerico su cui applicare l’imprinting; il materiale scelto (tra altri sottoposti ad analisi per verificare la loro applicabilità agli scopi previsti dal lavoro di tesi)è stato l’F8BT (poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-1,4benzo-[2,1’-3]-thiadizole) i cui film sono stati depositati su quarzo mediante spin coating e caratterizzati morfologicamente mediante un’analisi AFM; per quanto riguarda l’analisi ottica invece,si è misurato lo spettro di assorbimento (con uno spettrofotometro) e la fotoluminescenza (con uno spettrofluorimetro); inoltre si è verificato il guadagno del materiale eccitando il film di polimero con un laser Nd:Yag.
Un’ulteriore studio ha infine riguardato la degradazione termica del film: una verifica del fatto che il materiale non perde le sue proprietà ottiche se sottoposto ad alte temperature è stata resa necessaria visto che l’imprinting prevede l’utilizzo di alte temperature (superiori alla temperatura di transizione vetrosa del materiale in questione).
Nell’ultima fase del lavoro quindi si è proceduto al trasferimento del pattern dal master al film. Ovviamente questo processo ha richiesto la messa a punto di diversi parametri come la temperatura, la pressione ed il tempo del processo.
Il prodotto ottenuto è stato quindi analizzato mediante AFM per accertarne la bontà del trasferimento e la fedeltà al pattern definito in partenza.
Le strutture realizzate presentano un disegno periodico unidimensionale a strisce, con profilo trasversale a gradini con il gap tra i gradini pari alla larghezza delle strisce; sia il periodo che l’altezza delle strutture sono dell’ordine dei 100 nm.
L’indice di rifrazione di un polimero è generalmente superiore sia a quello dell’aria soprastante il film sia a quello del substrato, pertanto il film di materiale organico può costituire una guida d’onda su piccole distanze all’interno di circuiti optoelettronici. Inoltre il patterning sul film di microstrutture opportunamente progettate può fornire elementi di direzionamento, selettività ed analisi della luce trasmessa, a seconda del disegno e delle dimensioni (in una parola della struttura) degli elementi patternati. Il principio alla base di queste proprietà si ritrova nella diffrazione alla Bragg, e quindi il film di polimero patternato può costituire in alcune applicazioni un elemento attivo di un circuito optoelettronico ed essere applicato laser organici a stato solido, in grado di coprire un ampio range di lunghezze d’onda di emissione, dal visibile al vicino infrarosso.

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INTRODUZIONE ________________________________________________________________________________________________ 1 INTRODUZIONE Scopo di questo lavoro di tesi è la realizzazione di strutture periodiche di dimensioni nanometriche su superfici di film sottili di materiali organici polimerici. I materiali considerati hanno suscitato grande interesse nella comunità scientifica grazie alle loro proprietà, che li rendono adatti ad una vasta gamma di applicazioni che vanno dall’industria microelettronica fino alla biotecnologia. Lavorare con materiali organici significa avere a disposizione delle tecniche litografiche che si adattano bene a questo tipo di composti, degradabili e solubili, diverse dalle tecniche litografiche convenzionali come la fotolitografia o la litografia elettronica. L’applicazione di queste ultime tecniche prevede infatti l’utilizzo di radiazione luminosa o di una varietà di agenti chimici in qualità di developers (soluzioni di sviluppo), unitamente ad altri materiali organici, ad esempio fotoresist; tutto questo rischia di alterare le caratteristiche del materiale di interesse, come la fotoluminescenza o le proprietà di trasporto. Una volta note le proprietà chimiche, morfologiche ed ottiche del campione, la tecnica da usare deve essere invece innanzitutto non troppo aggressiva nei suoi confronti [1], ed essere in grado di raggiungere dimensioni nanometriche, necessarie per applicazioni in dispositivi opto-elettronici avanzati, evitando problemi legati alle piccole dimensioni come la diffrazione [2]. Il fatto di conoscere precisamente le proprietà del campione permette di ottenere degli ottimi risultati, ma in maniera non seriale: per ogni diverso materiale occorre utilizzare ad esempio delle specifiche condizioni di lavoro come pressione e temperatura; una volta però identificate le condizioni ottimali, il processo risulta molto veloce e facilmente ripetibile. La risposta a queste esigenze è stata data dalla soft-lithography. L'aggettivo di "soft" deriva dal fatto che la tecnica utilizza materiali da lavorare flessibili anche organici e/o stampi elastomerici. Inoltre è compatibile con l’uso di solventi, comprese le soluzioni acquose, e per questo risulta indicata per la lavorazione di biomolecole come enzimi e proteine. Questa tecnica di micro- e nano-fabbricazione fornisce alte risoluzioni, flessibilità nella scelta dei materiali dal punto di vista chimico, larghe aree di applicazione e bassi costi [3]. L’elemento chiave è uno stampo, il master, su cui è stato realizzato un disegno, o pattern, con le caratteristiche desiderate. La soft-lithography consiste nel trasferire questo pattern su un sottile strato (layer) di un determinato materiale, depositato su un apposito substrato. Il master può essere riutilizzato più volte, economizzando così il processo di trasferimento. Quest’ultimo può avvenire mediante diverse modalità, classificate a grandi linee come microcontact printing, replica molding, o hot-embossing. I limiti principali di queste tecniche sono dettati soprattutto dalle proprietà del materiale utilizzato, scelto, di volta in volta, in dipendenza delle applicazioni desiderate. I campioni realizzati possono

Tesi di Laurea

Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Autore: Manuela Montinaro Contatta »

Composta da 89 pagine.

 

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