Structure formation in a two-layer liquid polymer system

Abstract

The instability of a thin liquid polystyrene (PS) film on a liquid polymethylmethacrylate (PMMA) substrate is investigated and the evolution of the interfaces is monitored in situ by Atomic Force Microscopy (AFM) on the PS-air and by ex situ AFM studies on the PS-PMMA interface after removing the PS top layer by a selective solvent. In such a system, for film thicknesses in the range of inter molecular forces, the upper PS film is destabilized by long range Van der Waals forces leading to spinodal dewetting of the PS film. To characterize the spinodal dewetting, we provide experimental measurements on the preferred wavelength and rupture time for different thickness of PS film. In contrast to the dewetting of liquid from a solid substrate, the buried interface is also able to deform and the PS-air and PS-PMMA interfaces develop in a coupled way. The amplitude of the spinodal corrugations on the interfaces is correlated with the respective interfacial energy and thus the amplitude of the buried PS-PMMA interface is substantially larger than that of the free PS-air interface. Despite the smaller driving forces compared with PS film on SiO2, the characteristic wavelength is smaller for PS films on PMMA substrate. Surprisingly, it was found that the initial roughness of both interfaces can influence the mode selection process that explains the small deviation from the experimental results to theoretical modeling based on linear stability analysis.

Die Instabilität eines dünnen flüssigen Polystyrol (PS)-Films auf einem flüssigen Polymethyl-Methacrylat (PMMA)-Substrat wird untersucht und die Entwicklung der Grenzflächen in situ durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) an der PS-Luft und durch ex situ AFM-Studien an der PS-PMMA-Grenzfläche nach Entfernung der PS-Oberschicht durch ein selektives Lösungsmittel verfolgt. In einem solchen System wird bei Schichtdicken im Bereich der intermolekularen Kräfte der obere PS-Film durch langreichweitige Van-der-Waals-Kräfte destabilisiert, was zu einer spinodalen Entnetzung des PS-Films führt. Um die spinodale Entnetzung zu charakterisieren, bestimment wir in experimentellen Messungen die bevorzugte (spinodale) Wellenlänge und die spinodale Aufbruchzeit. Im Gegensatz zur Entnetzung von Flüssigkeit von einem festen Substrat kann sich auch die verborgene Grenzfläche verformen und die PS-Luftals auch die PS-PMMA-Grenzfläche entwickeln sich gekoppelt. Die Amplitude der spinodalen Wellenlänge an den Grenzflächen ist mit der jeweiligen Grenzflächenenergie korreliert und die Amplitude der verborgenen PS-PMMAGrenzfläche ist daher wesentlich größer als die der freien PS-Luft-Grenzfläche. Trotz der geringeren treibenden Kräfte im Vergleich zu PS-Filme auf SiO2 ist die charakteristische Wellenlänge für PS-Filme auf PMMA-Substraten kleiner. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die anfängliche Rauheit beider Grenzflächen den Prozess der Modenauswahl beeinflussen kann, was die geringe Abweichung der experimentellen Ergebnisse von der theoretischen Modellierung auf Basis der linearen Stabilitätsanalyse erklärt.