超薄膜界面流变特性与界面效应的研究

微纳米制造和系统的液态工作介质往往以超薄膜状态存在，例如纳米压印的阻蚀剂(<100nm)、磁头-磁盘的润滑薄膜(<10nm)等。超薄膜流体的流变特性与界面效应成为这些微纳米系统实现高精度与高可靠性的关键瓶颈。厚度在几纳米到数十纳米的超薄膜流体在壁面约束下往往呈现强烈粘弹性流变规律，而且产生与体相流变差别明显的'界面流变'特征，与固液界面效应(包括边界滑移、固体晶格诱导排列、吸附与润湿、薄膜分离压、热力学不稳定聚集等)密切联系、相互耦合，相关测试模型与分析理论均亟待突破。针对此,本项目采用原子力显微镜、石英晶体微天平等建立基于超薄膜流体粘弹性特征的界面流变测试模型；进而，利用流变学、表面力学和热力学理论分析和揭示界面流变特性与上述界面效应的机理和耦合作用，并结合模拟测试提出针对微纳系统的界面流变与界面效应控制技术,包括外加物理场、液体分子与界面修饰等。本研究将对微纳米制造与系统有基础性价值。

首先，在薄膜流变的测试技术上，采用石英晶体微天平、流变仪、UMT、DSC等以及外加电场的控制，实现了超薄膜液晶的粘弹性流变特征的研究，并研究了其相应的润滑特性；在石英晶体微天平上，设计制备了纳米级到微米级受限厚度可控的nanocell，并结合基底设计控制其剪切层分子排列方式来测试超薄膜的流变响应，揭示了受限液晶粘弹性流变中的尺度效应与界面效应；利用研发的薄膜液体粘弹性试验机测试测试验证了纳米级超薄膜剪切中的弛豫时间以及剪切粘弹性的尺度效应与界面效应；.采用上述测试技术与建立的方法，在超薄膜材料各种界面效应机理及与界面流变行为的研究方面，选用了不同液体润滑剂材料（商用润滑剂、十六烷、甘油等）以及向列相液晶（作为结构明确并可控的润滑剂分子）等进行了研究；并采用制备了不锈钢、硅、二氧化硅、PTFE、polyimide等多种基底实现测试了对不同液体薄膜的不同界面吸附与锚定作用，测试研究了流变规律的变化；建立了考虑液晶分子微结构特征、界面相互作用的薄膜流变分析三明治模型。.为实现可实用化的超薄膜界面流变与效应的控制技术，利用外加电场等方式，改变近壁面液体的分子排列方式，从而揭示和控制了液晶分子的反电粘规律；通过表面的分子排列修饰与控制，实现了液晶薄膜流变等效粘度的可控制幅度在300%的变化；利用薄膜流变模型和润滑分析，揭示了润滑薄膜在边界润滑中的界面机理以及失效规律。