嵌段共聚物以化学气相沉积的顶层膜实现亚10纳米图形导向自组装

嵌段共聚物薄膜的导向自组装是一种被广泛看好的获得亚10纳米表面图形的技术。该领域现有的研究在利用表面化学修饰图形化方法实现大于10纳米结构的可控自组装取得较大成功，但是该方法无法制备分辨率小于10纳米的结构。这是由于嵌段聚合物的可控自组装来源于系统总自由能的降低，而总的自由能受“界面”和“体相”两个方面的影响。从“体相”角度看，为了降低自由能需要嵌段共聚物具有较大的Flory-Huggins相互作用参数χ，而χ值增大常伴随着两个嵌段表面能差异增大，较大的表面能差异会扰乱畴在垂直方向上的有序性。所以，为了获得分辨率小于10纳米的结构，导向自组装通过调控嵌段共聚物上下两个界面的性质来获得横贯整个薄膜的具有垂直方向上取向的畴。美国Argonne国家实验室的Nealey领导的团队利用新开发的诱导化学气相沉积在P2VP-b-PS-b-P2VP(VSV)嵌段共聚物上表面沉积了一层7纳米厚的顶层膜，结合嵌段共聚物与基底之间的表面化学修饰图形化技术，他们获得了9.7纳米的半周期结构。下图给出了以化学气相沉积的顶层膜实现嵌段共聚物导向自组装获得亚10纳米结构的工艺过程和实验结果的电子显微镜照片。相关工作发表在Nature Nanotechnology, 12 (2017) 575-581上。

图1 诱导化学气相沉积顶层膜在嵌段共聚物导向自组装获得亚10纳米结构的作用机制。(a)工艺流程图；(b)和（e）HSQ图形的SEM图；(c) 和(d)是嵌段共聚物自组装结构在45°倾角下的SEM图、(f)和(g)是嵌段共聚物自组装结构的俯视图。