软模板纳米压印技术及其对共轭高分子的取向控制研究

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1、软模板纳米压印技术及其对共轭高分子的取向控制研究软模板纳米压印技术及其对共轭高分子的取向控制研究软模板纳米压印技术及其对共轭高分子的取向控制研究。1引言近年来,随着对功能性高分子研究的日益深化,功能性有机高分子薄膜的微纳结构化在其相应领域中的应用受到越来越多的关注.比如,发光高分子在发光材料上的广泛应用,导电高分子在半导体领域的日新月异,以及铁电高分子在存储领域的异军突起等,这些都与功能高分子薄膜的图案化有着密不可分的关系.图案化功能性高分子薄膜的制备主要有自上而下和自下而上两种手段,自下而上主要是利用高分子的自组装特性,此法虽可获得大面积的

2、样品,但是结构的涨落较大,不可控因素也较多,在应用器件的性能上会存在较大的损耗.自上而下是目前高分子薄膜图案化比较主流的方法,主要是通过各种刻蚀和压印的方法来获得图案化高分子,其中纳米压印方法因其在制备过程中的物理化学稳定性和高分辨率而广受关注.97年,美国普林斯顿大学的S.Y.Chou教授等提出了纳米压印这一方法,随后该技术得到了广泛的使用,纳米压印过程中,模板制备是整个流程中的关键步骤,硬模板价格昂贵,制备工艺复杂,而且整个工艺中的微小偏差都会对硬模板造成不可逆的破坏,因此软模板转印技术应运而生,该技术最早由哈佛大学化学与生化系的Geor

3、geM.Whitesides教授提出.经历了多年的发展,软模板转印技术有了长足的进步.软模板的母模板主要有硬质模板和自组装模板两大类:一类是硅基、玻璃基底或者宝石基底的硬模板,其机械韧性差,获取步骤繁琐,且价格相当昂贵;另一类是自组装模板,主要以多孔氧化铝和荷叶等自组装结构的基材为主,虽然简单易得,但是结构的精度差,结构涨落大,普适性不强.实现软模板在母模板定义上的低成本和转印过程中的低难度,是软模板转印技术大范围推广的关键.为解决各步骤的技术问题,克服现有技术的不足,采用两步法,实现软模板的定义,并将其用于软模板转移压印.首先,采用电子束光

4、刻技术对光刻胶进行结构定义;然后,在光刻胶表面滴上聚二甲基硅氧烷充分溶解在甲苯溶液中,配得15mgmL1的F8BT溶液,以3000rmin1的转速旋涂在干净的单抛硅片上,匀胶时间1min,置于热台上,160◦C,3min,自然降至室温,获得FBT薄膜.3结果与讨论3.1基于图案化光刻胶母模板的PDMS软模板转移压印技术的优势基于光刻胶母模板的PDMS软模板制备方法是将电子束直接在电子光刻胶PMMA薄膜表面曝光形成所需的图形所示);然后将PDMS铺在图案表面,由于PDMS的重力作用,待其交联后揭下,即可以复制出PMMA的结构,如图2所示.通过上

5、述方法可以制备出任意结构的PDMS软模板.在纳米压印中,模板是非常重要的,决定了图案的分辨率.由于纳米压印技术是利用压力作用在高分子表面形成图案,传统的纳米压印工艺多选择硬材料制作压印模板,所以模板必须具有高硬度、小的膨胀系数和良好的抗粘性.但是硬模板由于制作成本高,工艺难度大,很难被普及.下面将从PDMS模板结构的获得、模板的性能和转移压印的效果三方面阐述PDMS模板制作技术的优点.3.1.1PDMS模板结构的获得该过程只涉及图案化光刻胶和转移至PDMS两步,相较于传统的模板制备技术,这种基于光刻胶母模板的PDMS软模板制备方法只需光刻胶图

6、案作为初始结构定义,无需硬质模板,免除掩膜和刻蚀过程中带入的缺陷,同时降低了初始定义的成本.图5,即为相同周期结构在从PMMA转移到硅基衬底上时由于掩膜过程中金属蒸镀的微小不均匀而引入的缺陷.直接利用PMMA的图案作为母模板将大大降低在转移过程中引入缺陷的可能性.3.1.2PDMS模板的转移压印效果制得的PDMS软模板被用来压印PFO和F8BT这两种广泛使用的共轭高分子,从图3和图4中可以看出,压印后的PFO薄膜和F8BT薄膜,结构高度均匀,宽度均一.上述软模板压印技术得到的高分子光栅的尺寸和原始设计的PMMA模板的光栅尺寸是相符的,完全可以

7、实现压印的目的.3.2软模板纳米压印对共轭高分子的取向控制我们利用TEM的衍射花纹对光栅结构的P-FO薄膜进行了分子链排布情况分析,如图6所示.在100kV的电压下可以观察到清晰的月牙形衍射花纹,在PFO正交晶系中,单胞的尺寸分别为a=56nm,b=38nm,=3.32nm,且a轴垂直于共轭面,轴沿着共轭链即高分子链主链的方向,b轴则在共轭面内与轴垂直的方向,所以图中TEM衍射环分别对应面和面.从弥散环的分布来看,面是沿着光栅有序排列的,而面是垂直于光栅有序排列的.因此PFO的轴沿着光栅条纹的方向,b轴垂直于光栅条纹的方向.也就是说,带有光栅

8、结构的PFO薄膜中,聚合PFO的主链主要是沿着光栅条纹方向排布的.在软模板压印过程中,光栅结构的凹槽部分为高分子的自组装提高了受限环境,在充分受限的压印过程中,由于