[发明专利]两嵌段共聚物直接组装纳米结构的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于纳米结构制造领域，尤其涉及一种模板和电场诱导两嵌段共聚物直接组装纳米结构的装置和方法。

背景技术

纳米结构制造是纳米技术研究和应用的基础和关键，目前纳米结构的制造主要通过两种途径：一种是“自上而下（Top-down）”方法（例如电子束直写、光学光刻、聚焦粒子束、刻蚀、纳米压印、软光刻等），另一种是“自下而上(Bottom-up)”方法（例如扫描探针显微加工、蘸笔纳米光刻、生物分子自组装、模板辅助自组装等）。嵌段共聚物自组装是近年发展起来的一种自下而上构造纳米结构新方法。嵌段共聚物（BlockCopolymers)又叫镶嵌共聚物，是由不同结构单元组成的均聚链段，通过共价键相互结合成主链的共聚物。不同的均聚链段可以为两种或两种以上，每链段只含一种结构单元，各链段的长短没有严格的限制。因为嵌段共聚物由热力学上互不相容的链段通过化学键连接而成，这种结构特点导致嵌段共聚物不具有共混物的宏观相分离行为，只能发生微观相分离，在介观尺度上形成丰富多彩的有序相形态。这些微观有序相形态具有良好的可调控性及相对容易的制备方法，通过改变嵌段共聚物的组成、链长、施加外场或改变制备方法等可以使嵌段共聚物通过自组装产生各种高度有序的介观图案。嵌段共聚物的自组装技术已经成为一种很有潜力的自下而上的纳米结构制造方法。

但是，嵌段共聚物自组装工艺也存在固有的缺陷：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纳米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，而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，形成大面积、长程有序的纳米结构，对于进一步扩展嵌段共聚物自组装有序纳米结构在纳米技术中的应用来说，是个迫切需要解决的技术难题。此外，如何将自上而下的电子束直写、光学光刻、纳米压印和刻蚀等方法与自下而上的自组装方法有机的结合起来制备大面积、任意形状复杂的纳米结构，也是目前纳米制造领域中迫切需要解决的热点问题和前沿课题。

目前嵌段共聚物自组装主要采用单一外场（电场、表面场、机械力场等）来调控嵌段共聚物自组装纳米结构，促使嵌段共聚物微区取向排列的是单轴驱动力，这导致自组装结构会随着时间的推移发生衰退现象，并且会产生较多缺陷。

此外，目前模板诱导嵌段共聚物直接组装纳米结构的方法还具有以下局限性：模板的重复使用率低，难以实现可重复和一致性纳米结构的制造，无法实现纳米结构低成本和批量化的制造。

尽管纳米压印光刻是一种低成本、高生产率和和高精度纳米结构制造方法，但其目前其面临1:1压印模具的制作、套印精度、模具的使用寿命、生产率和缺陷等挑战性问题，尤其模具变形、粘附（大的压印力导致）和充填不完全等是非常棘手的问题。限制了纳米压印技术的更为广泛应用。因此，迫切需要开发新的纳米结构制造方法。

发明内容

本发明的目的就是解决目前嵌段共聚物自组装制造纳米结构生产成本高（模板的重复利用率低）、生产效率低（自组装时间长）、一致性和可重复性制造性差，以及难以实现大面积、长程有序纳米结构的制造的问题，提供一种具有生产成本低、工艺简单、一致性好、适合批量化制备大面积、长程有序纳米结构的模板和电场诱导两嵌段共聚物直接组装纳米结构的装置和方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种模板和电场诱导两嵌段共聚物直接组装纳米结构的装置，它包括一个具有化学表面图形的导电模板、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯PS-b-PMMA两嵌段共聚物、导电化的基底和直流电场，其中两嵌段共聚物PS-b-PMMA置于导电模板和基底之间，导电模板与直流电场的阳极连接，基底则与直流电场的阴极连接。

所述基底由硅衬底及硅衬底上铺设的导电金属层组成，导电金属层与直流电场的阴极连接。

所述导电模板由导电层和具有改性的化学表面图形的模具组成，导电层与阳极连接，化学表面图形对两嵌段共聚物PMMA相具有偏好性或浸润性，而对PS相的浸润则为中性。

一种模板和电场诱导两嵌段共聚物直接组装纳米结构的方法，它是一种“自上而下”和“自下而上”相结合的纳米结构制造方法，其具体步骤为：

1)制造导电模板；

2）对基底预处理；

3）在基底上旋涂两嵌段共聚物PS-b-PMMA；

4）施加直流电场并退火处理直接组装纳米结构；