《Science》子刊：大面积、无缺陷嵌段共聚物薄膜制备新方法！

来源：高分子科学前沿

嵌段共聚物自组装形成的薄膜在许多工业领域上都有着潜在的应用前景。其中，人们特别关注使用嵌段共聚物自组装形成大面积的10-100纳米的有序结构，这种方法得到薄膜具有很好地分辨率、功能性和可扩展性，因此有望突破传统光刻技术的局限性。但是，通常通过自组装形成的薄膜缺乏取向的长程有序性，并且在大面积下，薄膜存在较高的缺陷密度。

定向自组装技术（DSA），包括制图外延法、表面化学图案法和激光辅助图案法，在得到具有有序纳米结构的嵌段共聚物的研究上取得了里程碑式的进展。然而，DSA需要较多的步骤，因而限制了它的工业应用。另外，降低使用DSA制备的纳米图案中的缺陷使其具有实用价值（比如降低到1 ea/cm2）仍有待实验的证明。

来自蔚山科学技术院的So Youn Kim教授、全南大学的Su-Mi Hur和韩国科学技术院的Seok Joon Kwon教授合作提出了一种新的实验方法，使用这种方法，作者可以在厘米级的区域内得到有序取向的嵌段共聚物自组装薄膜，仅仅经过15分钟的溶剂退火后，缺陷密度可以降低至1.37 ea/μm2左右。相关工作以“Shear-solvo defect annihilation of diblock copolymer thin films over a large area”为题发表在《Science》子刊《Science Advances》上。

作者所使用的方法如图1所示：首先使用机械剪切力诱导嵌段共聚物发生取向，剪切力能够诱导嵌段共聚物发生宏观有序地排列；然后使用溶剂蒸汽进行退火，溶剂退火可以在不破坏剪切诱导的长程有序性的基础上消除微观的缺陷。作者称这个方法为shear-solvo退火，或SS退火。

图文速递

图1. SS退火的过程

图2. SS退火之后的柱状结构的长程有序性调控。

（A）剪切取向后和（B）使用甲苯溶剂、（C）四氢呋喃、（D）两者混合溶剂进行SS退火后的的SEM图和掠入射二维图；（E）掠入射的一维图；（F）一级峰的积分宽度以及（G）归一化的周期尺寸随退火时间的变化。

图3.SS退火之后的柱状结构的微观有序性研究。

（A）剪切取向后和（B）使用甲苯溶剂、（C）四氢呋喃、（D）两者混合溶剂进行SS退火后的的SEM图、染色后的取向像素图、标记出缺陷编号的SEM图、标记出缺陷区域的SEM图、染色后的取向条纹图；（E）Hermans参数P2随退火时间变化的图；（F）相关函数g(r)随位置变化的图；（G）缺陷面密度和缺陷数密度随退火时间变化的图；（H）条纹图案均一性、（I）Hermans参数P2、（J）与标度的符合程度在剪切后、甲苯退火后、四氢呋喃退火后和两者混合溶剂退火后的变化。

总结一下，在这篇文章中，作者发明了一种SS退火的方法，能够得到取向几乎完美地嵌段共聚物薄膜，并且通过实验与理论的方法分析了SS退火的影响因素以及能够使得缺陷消失的原因。

参考文献：

Ye Chan Kim, Tae Joo Shin,Su-Mi Hur, Seok Joon Kwon, So Youn Kim, Shear-solvo defect annihilation ofdiblock copolymer thin films over a large area. Sci. Adv. 2019;5:eaaw3974. DOI: 10.1126/sciadv.aaw3974

全文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw3974