有限预应变软弹性衬底上的图案形成与微结构演化

论文摘要

纳米结构的自组装为新材料的合成带来了新的机遇,也为新的物理和化学研究提供了新的研究对象。但如何更好的控制自组装,让自组装朝着设计好的方向自发进行,需要对自组装规律和机理有进一步的更深刻的理解。目前自组装的研究一般都是在固体表面进行,相对而言,软弹性衬底上的自组装现象尚未得到充分关注。而软弹性材料由于其独特的优点,在微电子工业中的应用越来越广泛。如何利用软弹性材料高弹性的特点,实现其对表面自组装过程的调控,还有待进一步的探索。因此,本文以软弹性衬底为研究对象,建立了基于软弹性固体变形的相场动力学模型,通过数值模拟,研究了有限预应变软弹性衬底上单层膜的图案形成和微结构演化,并探讨了软弹性衬底上自组装过程的可控性。本文的主要工作可归纳如下:研究了有限预拉伸对软弹性衬底上二元单层膜相分离组分畴自组装过程的影响。以组分浓度作为序参量,计入衬底弹性变形的影响,建立了一个适用于模拟软弹性衬底上单层膜自组装过程的连续相场模型,模拟了有限预拉伸软弹性衬底上二元单层膜的组分演化。数值模拟结果表明,有限预拉伸控制组分畴的生长方向,引导图案沿预拉伸方向优先生长。有限预拉伸的强度越大,条纹的宽度和间距越小。有限预拉伸强度的增大,也加速了条纹形成的过程。改变单层膜的组分浓度和衬底的有限预拉伸强度,可得到多种多样的有序图案,包括伸长的点阵,平行的段状条纹,以及完全平直的条纹等。图案的特征尺寸由有限预拉伸的强度决定。所以,相分离图案可通过调节衬底的有限预拉伸强度和单层膜的组分浓度来进行有效的调控。研究了表面化学修饰和衬底有限预拉伸的联合作用对软弹性衬底上自组装图案形成的影响。对衬底进行预先的有限拉伸,可以调节衬底的瞬时弹性性质、材料对称性以及其与表面上分子的相互作用,而表面化学修饰则导致了局部平均浓度的改变。考虑表面化学的影响,建立了二元单层膜组分演化的连续相场动力学模型。连续相场动力学模拟结果揭示了:通过表面化学修饰,改变了衬底表面的局部平均浓度,导引组分畴形核,形成了丰富的演化初始图案,从而引导最终生成的图案花样;有限预拉伸则控制了组分畴的生长方向,从而增加了相分离图案的有序性。在表面化学修饰和衬底有限预拉伸的联合作用下,获得了可控性更高、形貌更丰富的相分离图案。研究了多组分和衬底的有限预拉伸对软弹性衬底上自组装图案形成的影响。组分的增加,使得系统的能量也随之发生较大变化。因此综合考虑有限预拉伸和多组分的共同作用,建立了一个模拟三元单层膜组分演化的连续相场动力学模型。模拟结果表明,相分离图案很大程度依赖于有限预拉伸的强度和各相的相对百分比。有限预拉伸引导组分畴的生长方向,浓度影响着各组分畴的尺寸大小,分布状况以及连续性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米结构的自组装体系
• 1.3 软弹性衬底
• 1.3.1 PDMS的特点
• 1.3.2 可拉伸软弹性衬底的应用
• 1.4 自组装与计算机模拟
• 1.4.1 分子动力学模拟
• 1.4.2 自洽场理论方法
• 1.4.3 介观模拟方法
• 1.5 本文的研究目的和主要内容
• 第2章 连续相场模型
• 2.1 引言
• 2.2 相场方法的基本思想
• 2.3 自由能函数的构建
• 2.3.1 体自由能
• 2.3.2 界面能
• 2.3.3 弹性能
• 2.4 动力学方程
• 2.5 相场方程的计算方法
• 2.5.1 有限差分法
• 2.5.2 有限元法
• 2.5.3 自适应有限元法
• 2.5.4 谱分析方法
• 2.6 小结
• 第3章 有限预应变软弹性衬底上单层膜的自组装
• 3.1 引言
• 3.2 衬底弹性变形
• 3.2.1 基本方程
• 3.2.2 表面格林函数
• 3.3 连续相场模型
• 3.4 表面形貌演化
• 3.4.1 主伸长比的影响
• 3.4.2 浓度的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 表面化学对有限预拉伸衬底上单层膜自组装的影响
• 4.1 引言
• 4.2 连续相场模型
• 4.3 表面化学调控的形貌演化
• 4.3.1 表面化学的影响
• 4.3.2 有限预拉伸的影响
• 4.3.3 浓度的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 有限预拉伸衬底上三元单层膜自组装的相场模拟
• 5.1 引言
• 5.2 多相的分离
• 5.2.1 自由能的变分
• 5.2.2 演化方程
• 5.2.3 数值方法
• 5.3 模拟结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果