一种在薄膜中制造复杂结构的新方法

麻省理工学院(MIT)的一个研究小组称,自组装材料嵌段共聚物(block mers)现在可以制成复杂得多的图案,这可能为材料设计开辟新的领域。众所周知,嵌段共聚物可以形成各种可预测的规则图案。

这项新发现发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,由材料科学与工程教授阿尔弗雷多•亚历山大-卡茨(Alfredo Alexander-Katz)和卡罗琳•罗斯(Caroline Ross)等三位教授撰写的博士后论文中。

“从某种意义上说,这是一个偶然的发现,”亚历山大-卡茨说。“每个人都认为这是不可能的,”他说。他描述了研究小组发现的一种现象,这种现象允许聚合物以偏离常规对称排列的模式自组装。

自组装嵌段共聚物是一种材料,其链状分子最初是无序的,但它们会自发地排列成周期结构。研究人员发现,如果在衬底上产生重复的线条或柱子图案,然后在该表面形成一层嵌段共聚物薄膜,来自衬底的图案将在自组装材料中复制。但这种方法只能产生简单的图形,如点或线的网格。

在新方法中,有两种不同的、不匹配的模式。一种是由蚀刻在基材上的一组柱子或线条组成,另一种是由自组装共聚物形成的固有图案。例如,基板上可能有矩形图案和共聚物自身形成的六角形网格。人们可能会认为嵌段共聚物的排列顺序会很差,但这并不是研究小组的发现。相反,“它正在形成一种更加出乎意料和复杂的东西,”罗斯说。

结果发现这是一种微妙而复杂的有序结构——相互连接的区域形成了稍微不同但有规律的图案,与准晶体相似,而准晶体不像普通晶体那样完全重复。在这种情况下,这些图案确实会重复出现,但距离比普通晶体要长。罗斯说:“我们正利用分子过程在嵌段共聚物材料表面创造出这些图案。”

研究人员说,这可能为制造具有光学系统或“等离子体器件”的定制特性的新方法打开了大门。在“等离子体器件”中,电磁辐射以精确调谐的方式与电子共振。这种装置需要非常精确的定位和纳米尺度图案的对称性,这是这种新方法可以实现的。

凯瑟琳·米兹拉希·罗德里格斯(Katherine Mizrahi Rodriguez)在本科时参与了这个项目,她解释说,研究小组准备了许多这种嵌段共聚物样品,并在扫描电子显微镜下进行了研究。易丁(音译)在博士论文中研究了这个问题。她说:“我开始一遍又一遍地寻找,看是否有什么有趣的模式出现。”“那时,所有这些新发现都在某种程度上得到了发展。”

由此产生的奇怪图案是“聚合物想要形成的图案和模板之间受挫的结果,”alexanderd – katz解释说。他说,这种挫折感导致了原有对称性的破坏,并在其中创建了具有不同对称性的新子区域。“这是大自然提出的解决方案。为了适应这两种模式之间的关系,第三件事打破了这两种模式。他们将这种新模式描述为“超晶格”。

创建了这些新的结构之后,团队继续开发模型来解释这个过程。合著者Karim Gadelrab博士(19年)说:“建模工作表明,涌现模式实际上在热力学上是稳定的,并揭示了新模式形成的条件。”

丁说,“我们从热力学的角度完全理解这个系统”,而自组装过程“允许我们创造精细的图案,并获得一些新的对称,否则很难制造出来。”

他说,这消除了光学和等离子体材料设计中存在的一些限制,从而为材料设计“开辟了一条新的道路”。

罗斯说,到目前为止,研究小组所做的工作仅限于二维曲面,但他们希望将这一过程扩展到三维曲面。“三维制造将改变游戏规则,”她说。她说,目前用于微设备的制造技术一次只能制造一层,但“如果你能一次性用3d技术制造出整个物体”,这可能会大大提高制作效率。

马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校(University of Massachusetts, Amherst)聚合物科学与工程杰出教授、西尔维奥o孔戴(Silvio O. Conte)的托马斯p拉塞尔(Thomas P. Russell)说,这些发现“开辟了新的途径,可以生成纳米制造的模板,其对称性仅靠共聚物是无法实现的。”拉塞尔没有参与这项研究。他补充说,这“打开了探索一个大参数空间的可能性,以揭示手稿中所讨论的对称性之外的其他对称性。”

罗素说:“这项工作的质量是最高的,”并补充说:“理论和实验的结合是非常强大的,从文本中可以看出,两者之间的一致性非常好。”

这项研究由美国能源部普通科学办公室资助。该团队还包括研究生黄鹤进。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/block-copolymers-thin-films-0705