[发明专利]一种垂直取向自组装的嵌段共聚物薄膜的制备方法及其制品和用途

说明书

技术领域

本发明属于大分子自组装领域，更具体的说，涉及一种垂直取向自组装的嵌段共聚物薄膜的制备方法及其制品和用途。

背景技术

基于嵌段聚合物薄膜的纳米图案化技术，由于嵌段聚合物可以组装形成尺寸小且可控(5-100nm)、结构可调(球状、柱状、层状等)、易于实现大面积组装等一系列优点，成为了一种表面图案化的有效方法。这种基于嵌段聚合物薄膜的纳米图案化技术已经在微电子器件、磁性储能器件、多孔过滤膜等领域展示了潜在的应用前景。

为了实现基于嵌段聚合物的纳米刻蚀的应用，需对其薄膜的形貌取向进行控制，以期得到垂直取向的层状或柱状结构。研究者已经发展出了调控界面能或利用电场、溶剂场来控制嵌段聚合物薄膜取向。其中使用在薄膜上下界面构筑电极，施加恒定的电场可以诱导嵌段聚合物的取向沿着电场线的方向进行排列，进而形成了与基底呈现垂直关系的取向结构的形成(Science,2000,290,2126–2129)。但此种构筑电场的方法电极结构复杂，且需要嵌段聚合物薄膜具有微米级别的厚度以便于构筑电极和分离电极，很难将此方法使用在厚度为纳米级别的薄膜体系中，而基于嵌段聚合物的刻蚀技术一般是使用纳米级别的薄膜。另一方面，此种施加电场的方法很难形成局域的电场或小尺寸的电场而构筑出图案化的组装结构。

因此，提供一种更为便捷、通用的施加电场控制嵌段聚合物薄膜方法对于基于嵌段聚合物的图案化技术具有重要意义，且对于嵌段聚合物组装研究也具有理论价值。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种垂直取向自组装的嵌段共聚物薄膜的制备方法，具体的是一种基于电子束辐射在弱导电性或绝缘基底上形成静电场，进而控制嵌段共聚物形貌取向的方法。此方法可以得到面积可控的垂直取向的嵌段共聚物薄膜。

本发明的另一个目的在于提供一种由上述方法制备得到的垂直取向自组装的嵌段共聚物薄膜、含有该薄膜的组件及其用途。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种垂直取向自组装的嵌段共聚物薄膜的制备方法，也即一种嵌段共聚物形成垂直取向自组装结构的控制方法，其包括如下步骤：

(1)提供一表面弱导电性或绝缘的基底；

(2)用电子束辐射上述基底；

(3)在上述经电子束辐射后的基底表面铺展所述嵌段共聚物的薄膜；

(4)自组装步骤(3)的薄膜，得到本发明的垂直取向自组装的嵌段共聚物薄膜；

其中，所述嵌段共聚物是聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸酯的嵌段共聚物(记为PS-b-PMA)。

根据本发明，所述嵌段共聚物薄膜的面积范围为纳米级至厘米级可调。自组装步骤(4)一次成型获得的本发明薄膜的面积可以为纳米级，也可以为微米级，或者为厘米级，所以本发明的方法可以实现面积可调。

根据本发明，所述步骤(2)的电子束辐射包括：将表面弱导电性或绝缘的基底经电子束辐射一定剂量。

其中，所述表面弱导电性或绝缘的基底包括表面含有自发氧化层的硅基底、表面含有人为二氧化硅氧化层的硅基底、绝缘体普通玻璃、氮化硅基底、绝缘薄膜聚酰亚胺或聚氟乙烯类聚合物基底。

其中，所述电子束辐射是采用含有电子枪的设备对基底进行辐射。

其中，所述电子束辐射的剂量指电子束电流×辐射时间÷辐射面积。

其中，所述电子束辐射一定剂量是指在电子束辐射区域全部形成垂直取向的嵌段共聚物薄膜所需的剂量，优选地，电子束的剂量不小于20mC/cm²，电子束电流密度不大于1000A/cm²，电子加速电压不小于2kV。

其中，所述辐射面积为100nm²-1cm²。

根据本发明，所述步骤(3)的嵌段共聚物铺展包括：将所述嵌段共聚物溶解于溶剂中获得溶液，之后将所述溶液均匀铺展于经过电子束辐射的基底上。

其中，所述嵌段共聚物中聚苯乙烯的分子量介于2×10⁴～1×10⁵之间，优选3×10⁴～8×10⁴；聚甲基丙烯酸酯的分子量介于0.5×10⁴～1×10⁵之间，优选1×10⁴～7×10⁴。