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Diffusion NMR probehead for detailed investigations of the diffusion and transport properties of polymers, ionic liquids and protein aggregates

English title Diffusion NMR probehead for detailed investigations of the diffusion and transport properties of polymers, ionic liquids and protein aggregates
Applicant Furrer Julien
Number 157656
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Departement für Chemie und Biochemie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.12.2014 - 30.11.2015
Approved amount 78'000.00
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All Disciplines (6)

Discipline
Physical Chemistry
Biochemistry
Molecular Biology
Material Sciences
Microelectronics. Optoelectronics
Fluid Dynamics

Keywords (6)

polymers; diffusion, transport processes; protein aggreagtes; NMR; ionic liquids; Diffusion probehead

Lay Summary (French)

Lead
Ce projet decrit l'utilisation qui sera faite de la nouvelle sonde de mesure pour un spectromètre RMN (de resonance magnetique nucleaire) dite "de diffusion" specifique pour l'etude des proprietes de diffusion et de transport de polymeres, liquides ioniques et aggregats de proteines.En particulier, l'accent sera mis sur l'etude des proprietes de transport d'adduits polymeriques utilises dans la fabrication industrielle d'interconnections de cuivre (puces electroniques et transistors.)
Lay summary

Contenu et objectifs du travail de recherche

Avec l'acquisition de cette sonde RMN specifique, notre but est de contribuer à une meilleure compréhension des propriétés de diffusion d'adduits polymeriques utilises dans la fabrication industrielle d'interconnections de cuivre (chips). Un des processus cle de la deposition de cuivre est la processus dit d'electrodeposition (procédé damascene). Ce procédé, assez complexes, nécessite l'utilisation d'adduits, les suppresseurs et  les précurseurs.

Brièvement, le cuivre diffuse facilement dans les dielectriques et le silicium, a la base de toute puce electronique. Sans barrières de diffusion, cependant, la zone active de la plaque de silicium sera contaminée par le cuivre et par conséquent la puce obtenue sera moins performante ou au pire ne fonctionnera pas. Le cuivre deposé en excès doit donc être "poli" par voie mécano-chimique (suppresseurs) pour aplanir l'ensemble et pour pouvoir procéder à la fabrication de la couche suivante.

Un des points cruciaux pour un design sur mesure d'adduits polymeriques pour les technologies futures est d'obtenir un contrôle des propriétés intrinsèques de transport des ces adduits monomériques et polymériques actifs dans le procédé damascène. Nous avons recemment proposé des adduits alternatifs a ceux utilises dans les procédés industriels, tels les polymères polyalklyl glycols (PAGs), polyethyleneimines (PEIs), polyvinylpyrrolidones (PVPs), efficaces, mais particulièrement difficiles a caracteriser.

En plus des propriétés intrinsèques, nous envisageons de caractériser la diffusion d'entités monomériques (dépolarisants) à travers des matrices visqueuses de suppresseurs polymeriques (polariseur). Ce procede d'inter-diffusion peut être considére comme LE point principal pour la deactivation de film suppresseur sur l'interface electrifiée dans les conditions utilisees dans l'industrie de fabrication des puces electroniques.

 

 

 

 

Direct link to Lay Summary Last update: 19.11.2014

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
Temperature-Dependent Transport Properties of a Redox-Active Ionic Liquid with a Viologen Group
Bodappa Nataraju, Broekmann Peter, Fu Yong-Chun, Furrer Julien, Furue Yutaro, Sagara Takamasa, Siegenthaler Hans, Tahara Hironobu, Vesztergom Soma, Zick Klaus, others (2015), Temperature-Dependent Transport Properties of a Redox-Active Ionic Liquid with a Viologen Group, in The Journal of Physical Chemistry C, 119(2), 1067-1077.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof Paul Dyson, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Prof. Th. Bredow, University of Bonn (Theoretical and Physical Chemistry) Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
BASF SE, Global Business Unit Electronic Materials, Ludwigshafen Germany Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Prof. H. Frey, University of Mainz (Polymer Chemistry) Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Prof. S. Waldvogel, University of Mainz, (Organic Chemistry) Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
172507 CO2 to Value: Electroconversion of CO2 on Electrodeposited Metal Foam Catalysts 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

This proposal aims at obtaining financial support for the purchase of a dedicated diffusion probehead to be implemented in the NMR laboratory of the Chemistry Department at the University of Bern. This special NMR probehead is particularly well-suited for detailed investigations of the diffusion and transport properties of polymers, ionic liquids and protein assemblies. For instance, accurate knowledge of the diffusion and transport properties of polymeric levelers and suppressors used in the so-called Damascene process (copper electro-deposition for the manufacturing of microprocessors), and of new ionic liquids used for energy conversion could be recently gained from such measurements. Our current (classical) NMR hardware (gradient unit and probehead) has severe limitations, and is actually not adequate for such research projects. Indeed, accurate diffusion and transport properties can be measured for molecular masses of up to only 150 kDa in non-viscous media (water) and drops to a few kDa for moderate viscous media (liquid crystal).As such, for the investigators of this proposal, the requested equipment would open new fields to NMR spectroscopic research that are currently not feasible with the current equipment available. Owing to the broad variety of samples falling into the application field of a diffusion probehead, such as polymers, ionic liquids, gels, protein aggregates, a diversified interdisciplinary usership will be able to benefit from this diffusion probehead. In view of the current countrywide lack of accessibility to such a dedicated probehead within the Swiss university institutions, the equipment will close this gap and will enable us to keep up with modern state-of-the-art technologies, explore new applications fields and extend our competences.
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