專利名稱：面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在納米微加工時(shí)所需要的模板圖案的調(diào)控方法。
背景技術(shù)：
目前，制備加工納米結(jié)構(gòu)有三種不同的途徑一種是用宏觀的塊體物質(zhì)，通過去掉多余的部分，加工成納米結(jié)構(gòu)，通常稱之為自上向下方法，屬于傳統(tǒng)的微細(xì)加工技術(shù)，包括光刻技術(shù)和分子束外延技術(shù)；另一種是把微觀體系的物質(zhì)單元組裝成納米器件，通常稱之為自下向上方法，屬于正在興起的微細(xì)加工技術(shù)，包括掃描探針的操縱裝配技術(shù)、分子模板技術(shù)與化學(xué)合成技術(shù)。以上兩種納米加工都存在一個(gè)無法回避問題即當(dāng)材料包含納米結(jié)構(gòu)時(shí)，其結(jié)構(gòu)單元數(shù)量是驚人的。如果沿用傳統(tǒng)的加工方式對(duì)逐個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，即使工藝上可行，從所需的時(shí)間與成本角度去考慮則根本行不通。難怪有人感嘆納米材料是科學(xué)家的夢(mèng)想，工程師的夢(mèng)魘。第三種途徑是把第一種與第二種方法結(jié)合在一起“自組裝”技術(shù)。所謂自組裝是一種無外來因素條件下形成超分子結(jié)構(gòu)或介觀超結(jié)構(gòu)的過程。自組裝制造過程是綠色的、環(huán)境友好的，效率是極高的。由于以上諸多優(yōu)點(diǎn)并源于納米科技發(fā)展的需要，源于生物的自組裝技術(shù)近年來已引起科學(xué)家高度重視并迅速成為最熱門的研究領(lǐng)域。1996年，Whitesides等人(發(fā)表于Science)首先利用離子刻蝕技術(shù)將嵌段共聚物的球形微區(qū)圖案復(fù)制到50nm厚的SiN2模板材料上，得到每平方厘米具有1011個(gè)微孔的SiN2膜材料(見圖1)，標(biāo)志著利用嵌段共聚物自組裝模板技術(shù)進(jìn)行納米微加工新技術(shù)技術(shù)的開始。
對(duì)于自組裝技術(shù)作為加工方法而言，新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存一方面是是如何利用自組裝模板制備相應(yīng)結(jié)構(gòu)納米材料(模板圖案的復(fù)制)；另一方面的是如何人為調(diào)控自組裝模板圖案以調(diào)控希望構(gòu)造的納米結(jié)構(gòu)(模板圖案的調(diào)控)。圖案的復(fù)制已知可以通過刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)(離子、臭氧、紫外線選擇性地除去部分材料)。模板圖案的調(diào)控技術(shù)目前還亟待提高，因?yàn)樗悄０寮{米加工技術(shù)的關(guān)鍵只有調(diào)控出所需圖案的模板才有可能復(fù)制出理想的結(jié)構(gòu)。目前能調(diào)控嵌段共聚物形態(tài)的處理方法主要有高溫退火處理、外加電場處理、剪切處理等三種方法。其中剪切處理由于對(duì)處理樣品厚度有要求，不適用于涉及模板應(yīng)用的形態(tài)調(diào)控。剩余的兩種方法一方面對(duì)于形態(tài)調(diào)控能力有限，調(diào)控得到的有序形態(tài)是唯一的，更談不上進(jìn)行幾百納米微小模板調(diào)控；另一方面處理工藝比較復(fù)雜，所需時(shí)間很長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡單、高效的面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法，具體操作方法為將嵌段共聚物溶解在二甲苯溶劑中配制成0.1～1wt％濃度的溶液，室溫條件下澆鑄在原子水平級(jí)平整的基片表面上，自然揮發(fā)成膜，將此澆鑄膜與附著的基片放置于密閉容器內(nèi)，密閉容器內(nèi)墊有具有吸附溶劑蒸汽能力的材料，然后在室溫下向密閉容器底部的具有吸附溶劑蒸汽能力的材料上滴加嵌段共聚物材料的良溶劑或選擇性溶劑后迅速蓋好蓋子密封，有機(jī)溶劑的滴加量為足以使溶劑蒸汽壓達(dá)到飽和，1小時(shí)～7天后取出即為面向納米微加工嵌段共聚物模板。模板形態(tài)的自由調(diào)控是實(shí)現(xiàn)按人的意愿進(jìn)行納米微加工的前提與基礎(chǔ)，本發(fā)明豐富了嵌段共聚物納米模板的調(diào)控技術(shù)，與現(xiàn)有的調(diào)控技術(shù)相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)1.它具有調(diào)控參數(shù)的多樣性本發(fā)明可以針對(duì)不同的需要使用不同類型的有機(jī)溶劑；通過調(diào)控溫度改變?nèi)軇┱羝麎?；另外，溶劑與模板接觸時(shí)間的不同也會(huì)產(chǎn)生不同的效果，從而影響著模板的調(diào)控結(jié)果?？傊{(diào)控參數(shù)的多樣性決定著調(diào)控出來模板的形態(tài)具有多樣性；2.調(diào)控過程高度可控；3.調(diào)控模板形態(tài)高度有序；4.調(diào)控不需復(fù)雜設(shè)備，工藝簡單，成本低，效率高；5.在調(diào)控的同時(shí)溶劑蒸汽還具有刻蝕的功能，能在基片上得到幾百納米尺度的各種圖案，這一點(diǎn)對(duì)于未來納米零件的加工技術(shù)有重要意義；6.通過局部刻蝕與調(diào)控，用本發(fā)明的方法還可以得到類似于圓錐齒輪形狀的自組裝模板圖案(見圖6)，這意味著將來利用這類模板可以加工納米齒輪(見圖7)。


圖1是利用離子刻蝕技術(shù)將嵌段共聚物SBS的球形微區(qū)圖案復(fù)制到50nm厚的SiN2模板材料上，得到每平方厘米具有1011個(gè)微孔的SiN2膜材料的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(尺寸800×800nm)是原子力顯微鏡(AFM)關(guān)于SEBS或SBS嵌段共聚物溶于二甲苯之后澆鑄在基片上自然揮發(fā)成膜的形態(tài)圖，圖3是用具體實(shí)施方式
三方法調(diào)控所得模板的AFM形態(tài)圖(尺寸800×800nm)，圖4是用具體實(shí)施方式
四方法調(diào)控所得模板的AFM形態(tài)圖(尺寸800×800nm)，圖5是用具體實(shí)施方式
五方法調(diào)控所得模板的AFM形態(tài)圖(尺寸500×500nm)，圖6是是用具體實(shí)施方式
六方法調(diào)控兼刻蝕的微小尺寸模板AFM形態(tài)圖(尺寸800×800nm)，圖7是由圖6模板所能加工微小零件的示意圖。
具體實(shí)施例方式
一嵌段共聚物自組裝模板一般需要溶劑澆鑄制備，模板的厚度需控制在納米尺度以內(nèi)。我們發(fā)現(xiàn)將厚度控制在100納米以內(nèi)嵌段共聚物薄膜，在室溫下，利用有機(jī)良溶劑或選擇性溶劑進(jìn)行熏蒸，可以對(duì)模板的自組裝圖案進(jìn)行全面的調(diào)控。將嵌段共聚物溶解在二甲苯溶劑中配制成0.1～1wt％濃度的溶液，室溫條件下澆鑄在原子水平級(jí)平整的基片表面上，自然揮發(fā)成膜，將此澆鑄膜與附著的基片放置于密閉容器內(nèi)，密閉容器內(nèi)墊有具有吸附溶劑蒸汽能力的材料，然后在室溫下向密閉容器底部的具有吸附溶劑蒸汽能力的材料上滴加嵌段共聚物材料的良溶劑或選擇性溶劑后迅速蓋好蓋子密封，有機(jī)溶劑的滴加量為足以使溶劑蒸汽壓達(dá)到飽和，1小時(shí)～7天后取出即為面向納米微加工嵌段共聚物模板。用這種方法調(diào)控的模板圖案形態(tài)豐富、高度有序。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式模板的調(diào)控方法為將聚苯乙烯-飽和聚丁二烯-聚苯乙烯(SEBS)嵌段共聚物溶解在二甲苯溶劑中配制成0.1wt％濃度的溶液，20-30℃條件下澆鑄在云母片上自然揮發(fā)成膜，膜的厚度最好要小于100納米，模板形態(tài)如圖2所示，將此澆鑄膜與附著的云母片放置于墊有濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)恒溫在25℃，滴加良溶劑甲苯于培養(yǎng)皿底部的濾紙上，迅速蓋好蓋子，甲苯的滴加量為足以使溶劑蒸汽壓達(dá)到飽和，3小時(shí)后將所得產(chǎn)品取出，調(diào)控后模板形態(tài)如圖3所示。然后再通過水面將嵌段共聚物薄膜(即模板)轉(zhuǎn)移到要復(fù)型材料表面進(jìn)行復(fù)型。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式模板的調(diào)控方法為將聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯(SBS)三嵌段共聚物溶解在二甲苯溶劑中配制成1wt％濃度的溶液，將單晶硅片放置于墊有綿花的培養(yǎng)皿內(nèi)，室溫條件下滴加二甲苯于培養(yǎng)皿底部的綿花上，然后將足以使溶劑蒸汽壓達(dá)到飽和量的二甲苯澆鑄在單晶硅片上，迅速蓋好蓋，10小時(shí)后將產(chǎn)品取出即得模板，調(diào)控后模板形態(tài)如圖3所示，然后可以通過水面將嵌段共聚物模板轉(zhuǎn)移到要復(fù)型材料表面進(jìn)行復(fù)型即可。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式模板的調(diào)控方法為將美國Shell公司生產(chǎn)的SEBS嵌段共聚物溶解在二甲苯溶劑中配制成0.5wt％濃度的溶液，20-30℃條件下澆鑄在云母片上自然揮發(fā)成膜，膜的厚度為20納米，模板形態(tài)如圖2所示，將此澆鑄膜與附著的云母片放置于墊有濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)恒溫在25℃，然后將足以使溶劑蒸汽壓達(dá)到飽和量的選擇性溶劑庚烷滴加于培養(yǎng)皿底部的濾紙上，迅速蓋好蓋，1小時(shí)后將產(chǎn)品取出即得調(diào)控后模板，所得模板形態(tài)如圖4所示，然后可以通過水面將嵌段共聚物薄膜(即為所得模板)轉(zhuǎn)移到要復(fù)型材料表面進(jìn)行復(fù)型即可。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式模板的調(diào)控方法為將美國Shell公司生產(chǎn)的SBS三嵌段共聚物溶解在二甲苯溶劑中配制成0.2wt％濃度的溶液，室溫條件下澆鑄在單晶硅片上自然揮發(fā)成膜，所得膜的厚度為40納米，模板形態(tài)如圖2所示，將此澆鑄膜與附著的單晶硅片放置于墊有濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)恒溫在25℃，滴加足以使溶劑蒸汽壓達(dá)到飽和量的環(huán)己烷于培養(yǎng)皿底部的濾紙上，迅速蓋好蓋，24小時(shí)后將產(chǎn)品取出即得調(diào)控后模板，所得模板形態(tài)如圖5所示，然后可以通過水面將嵌段共聚物薄膜(即用本發(fā)明方法所得模板)轉(zhuǎn)移到要復(fù)型材料表面進(jìn)行復(fù)型即可。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式模板的調(diào)控方法為將聚苯乙烯-飽和聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物溶解在二甲苯溶劑中配制成0.8wt％濃度的溶液，20-30℃條件下澆鑄在云母片上自然揮發(fā)成膜，模板形態(tài)如圖2所示，將此澆鑄膜放置帶有磨口密閉性能非常好的稱量瓶中，樣品距離稱量瓶底部1cm，滴加足以使溶劑蒸汽壓達(dá)到飽和量的二甲苯于稱量瓶底部迅速蓋好蓋，恒溫25℃7天后將產(chǎn)品取出即得調(diào)控后模板，所得模板形態(tài)如圖6所示，此時(shí)溶劑蒸汽已將大部分嵌段共聚物模板腐蝕掉，留下局部微小尺寸的模板圖案，為利用此模板加工微納米零件提供了條件。
權(quán)利要求
1.一種面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法，其特征在于將嵌段共聚物溶解在二甲苯溶劑中配制成0.1～1wt％濃度的溶液，室溫條件下澆鑄在原子水平級(jí)平整的基片表面上，自然揮發(fā)成膜，將此澆鑄膜與附著的基片放置于密閉容器內(nèi)，密閉容器內(nèi)墊有具有吸附溶劑蒸汽能力的材料，然后在室溫下向密閉容器底部的具有吸附溶劑蒸汽能力的材料上滴加嵌段共聚物材料的良溶劑或選擇性溶劑后迅速蓋好蓋子密封，有機(jī)溶劑的滴加量為足以使溶劑蒸汽壓達(dá)到飽和，1小時(shí)～7天后取出即為面向納米微加工嵌段共聚物模板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法，其特征在于所述嵌段共聚物為聚苯乙烯—飽和聚丁二烯—聚苯乙烯嵌段共聚物或聚苯乙烯—聚丁二烯—聚苯乙烯嵌段共聚物。
3根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法，其特征在于二甲笨溶液澆濤于基片上揮發(fā)成膜的厚度小于100納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法，其特征在于所述原子水平級(jí)平整的基片為云母片或單晶硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法，其特征在于所述密閉容器為培養(yǎng)皿或稱量瓶。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法，其特征在于所述具有吸附溶劑蒸汽能力的材料為濾紙或綿花。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法，其特征在于良溶劑為甲苯或二甲苯，選擇性溶劑為環(huán)乙烷或庚烷。
全文摘要
面向納米微加工嵌段共聚物模板自組裝形態(tài)調(diào)控方法，它涉及一種在納米微加工時(shí)所需要的模板圖案的調(diào)控方法。目前能調(diào)控嵌段共聚物形態(tài)的處理方法具有調(diào)控能力有限、處理工藝比較復(fù)雜、所需時(shí)間很長的缺點(diǎn)。本發(fā)明的操作方法為將嵌段共聚物溶解在二甲苯溶劑中配制成溶液，將溶液澆鑄在基片表面自然揮發(fā)成膜，然后將基片放置于密閉容器內(nèi)，再向密閉容器內(nèi)滴加有機(jī)溶劑后密封，取出即為模板。本發(fā)明具有調(diào)控出來模板的形態(tài)多樣性、調(diào)控過程高度可控、模板形態(tài)高度有序、調(diào)控不需復(fù)雜設(shè)備，工藝簡單，成本低，效率高、能在基片上得到幾百納米尺度的各種圖案等諸多優(yōu)點(diǎn)，用本發(fā)明的方法還可以得到類似于圓錐齒輪形狀的自組裝模板圖案。
文檔編號(hào)B82B3/00GK1562730SQ20041001364
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月24日
發(fā)明者王鈾 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)