嵌段共聚物薄膜自组装有序纳米微结构的研究

论文摘要

在以光电子信息技术为主要特征的当今时代,由于有序纳米微结构材料奇特的物理现象及与下一代量子结构器件的联系,使有序纳米微结构材料的制备在微纳制造领域内一直倍受关注。有序纳米微结构材料是光电子信息技术的核心和基础性材料之一,如纳米材料、介孔固体、高密度磁性存储媒介及光子晶体等。如何方便、可控地制备预定结构的纳米微结构材料,一直是当今微纳制造领域中的热点问题。随着纳米科技作为前沿、交叉性新兴学科的逐步发展,最新发展起来的嵌段共聚物自组装技术,可以通过自组装体系制备出宏观范围的周期性纳米微结构,由于方法简单和低成本,因而受到了很大的重视。它为新材料的合成带来了新的机遇,是极细微尺度物理和化学很有生命力的前沿研究方向。更重要的是纳米结构的自组装和分子自组装体系是下一代纳米结构器件的基础,所合成出来的纳米结构自组装体系本身就是极细微尺度的微小器件。但是,嵌段共聚物自组装方法也存在着自身的缺点:如果没有进一步的约束,自然状态下自组装微区结构没有首选的取向而形成无序的“指纹”结构。而且,用嵌段共聚物形成用于不同纳米技术应用的周期性微结构最主要的局限性在于局部自组装结构是非常精确的,但很难在大范围内实现长程有序的纳米微结构排列。因此如何低成本,又简单易行地实现按照人的意志来调控图案多样、有序度高、稳定性好的自组装纳米微结构,对于进一步扩展嵌段共聚物自组装有序纳米微结构在纳米技术中的应用来说,是个迫切需要解决的难题。与此同时,如何将自上而下的刻蚀方法和自下而上的自组装方法巧妙地结合起来制备纳米结构,将微米结构与纳米结构有机地组装起来构造多级有序微结构,也一直是当今微纳制造领域中迫切需要解决的热点问题。因此本课题的研究具有十分重要的理论和现实意义。本课题首先对嵌段共聚物薄膜自组装有序纳米微结构的机理进行了研究,在充分了解嵌段共聚物自组装的作用力和嵌段共聚物微相分离的热动力学分析的基础之上,定性地分析了温度、浓度及选择性溶剂对嵌段共聚物薄膜自组装有序纳米微结构的影响,为嵌段共聚物薄膜自组装纳米微结构形态的调控及锁定奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 纳米微结构制备方法的发展概况
• 1.2.1 刻蚀技术
• 1.2.2 纳米压印技术
• 1.2.3 自组装技术
• 1.3 嵌段共聚物自组装的发展概况
• 1.3.1 应用嵌段共聚物的纳米技术
• 1.3.2 有序纳米微结构调控技术的发展状况
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 自组装的理论研究及有序性评价
• 2.1 引言
• 2.2 嵌段共聚物自组装的理论研究
• 2.2.1 自组装的作用力
• 2.2.2 嵌段共聚物的分子运动
• 2.2.3 嵌段共聚物微相分离
• 2.2.4 嵌段共聚物微相分离机理
• 2.2.5 嵌段共聚物薄膜自组装
• 2.2.6 自组装纳米微结构形态的调控及锁定
• 2.3 自组装纳米微结构的有序性评价
• 2.3.1 AFM 扫描图像
• 2.3.2 快速傅立叶变换（FFT）分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 自组装有序纳米微结构形态转变过程的AFM表征
• 3.1 引言
• 3.2 自组装纳米微结构形态的表征
• 3.2.1 表征手段
• 3.2.2 嵌段共聚物薄膜的TM-AFM 表征
• 3.3 AFM 离位跟踪表征
• 3.3.1 两步推进法重复定位技术
• 3.3.2 AFM 离位跟踪的实验研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 自组装有序纳米微结构的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 单偏场调控技术
• 4.2.1 实验原料及设备
• 4.2.2 样品制备
• 4.2.3 AFM 表征
• 4.2.4 结果与讨论
• 4.3 多偏场调控技术
• 4.3.1 实验原料及设备
• 4.3.2 样品制备
• 4.3.3 AFM 表征
• 4.3.4 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 有序纳米微结构薄膜的纳米压痕实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法及设备
• 5.2.1 纳米压痕法
• 5.2.2 TriboIndenter 系统
• 5.2.3 聚合物纳米薄膜的测试
• 5.3 材料及样品制备
• 5.3.1 实验材料
• 5.3.2 样品制备
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 基底对测试结果的影响
• 5.4.2 实验参数对测试结果的影响
• 5.4.3 自组装纳米微结构对表面机械性能的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历