三嵌段共聚物薄膜在化学图案上的引导组装

嵌段共聚物的引导组装是当前研究热点之一。但是，迄今为止还没有能够实现用同一个嵌段共聚物来组装生成芯片设计所需的所有基本元素。目前的大部分研究主要集中在二嵌段共聚物在化学图案上的引导组装，还没有关于三嵌段共聚物引导组装的研究报道。本项目主要研究ABA三嵌段共聚物在化学图案上的引导组装行为。ABA三嵌段共聚物与AB二嵌段共聚物相比有其独特的化学、物理和力学特性，其中最主要的区别在于其中间嵌段有桥型(bridge)和环型(loop)二种构型。当在具有不同周期(Ls)的化学图案上进行薄膜引导组装时，这两种构型的比例将会发生变化，从而导致一些不同的引导组装行为。我们将通过分子设计以及在不同构型的化学图案上引导组装条件的优化，最终实现用同一个三嵌段共聚物通过一次引导组装制备芯片设计所需的所有基本元素，为嵌段共聚物引导组装的产业化推进一步。

本项目通过分子设计合成新型PMMA-b-PS-b-PMMA三嵌段共聚物，实现用同一个三嵌段共聚物经过一次组装制备芯片设计所需的四方点阵、六方点阵和平行线 等基本结构单元。通过研究层状相PMMA-b-PS-b-PMMA 在线性化学图案上的引导组装发现其相区尺寸可以被拉伸高达60%。计算模拟证实如此大的拉伸比例是由于三嵌段共聚物中间链段的桥型和环型构型比例不同造成的。经过结构优化，实验证明介于柱状相和层状相之间的PMMA-b-PS-b-PMMA可以实现在四方点阵、六方点阵和线性化学图案上的同时组装，并且其在这三种化学图案上的拉伸比例分别达34%、30%和46%。但是，三嵌段共聚物引导组装的不足之处是其动力学相对于两嵌段共聚物要慢三个数量级。为解决组装动力学问题，我们设计合成带有可形成立体复合物的层状相PS-b-racPLA两嵌段共聚物，实现了PS-b-racPLA在化学图案上的拉伸尺寸达60%，与三嵌段共聚物的拉伸比例相同，同时其组装动力学与PS-b-PMMA两嵌段共聚物相似。引入立体复合作用从而解决了三嵌段共聚物动力学慢的缺点。因此PS-b-racPLA解决了PMMA-b-PS-b-PMMA 和 PS-b-PMMA各自的缺点，有望实现用同一个PS-b-racPLA组装出具有更小周期的四方点阵、六方点阵和线性结构 。