超薄非晶聚合物膜的力学性能研究

With the increasing appliance of ultrathin amorphous polymer films (less than 100 nm) in transparent micro devices, flexible sensors and electronics, the microscopic mechanical properties of these confined systems are of great interest. Recently, the mechanical properties of ultrathin polymer films have been intensively investigated using various techniques; however, they often have conflicting results. It implies that there are many factors that have effects on the mechanical properties of ultrathin polymer films, especially the properties of the substrates play an important role. Accordingly, more effort should be made for a better understanding on the mechanical properties of ultrathin amorphous polymer films. Nanomechanical mapping is a method based on AFM measurements and can be used to systematically study the influence of the substrate on the mechanical properties of ultrathin polymer films, which could be a good solution to this problem. This proposal will systematically study the effect of different substrates, i.e. soft (PDMS), hard (silicon) and freestanding (honeycomb film), on the mechanical properties of typical ultrathin amorphous polystyrene and polyvinyl acetate films. The completion of this project could not only improve the understanding of the mechanical properties of the nano-confinement polymer, enrich relevant polymer physics theory; also be used to guide the design and applications of ultrathin amorphous polymer films in various emerging application field, which has important academic and application value.

随着厚度低于100nm超薄非晶聚合物膜在透明微型设备、柔性传感器等众多领域的广泛应用，该聚合物纳米限域体系的力学性能成为研究热点。迄今已有使用各种技术研究超薄聚合物膜力学性能的相关报道，但其结果经常相互矛盾。这说明其影响因素和机理仍有待探索，尤其是基底与薄膜间的相互作用对力学性能的影响有待进一步揭示。基于原子力显微镜力谱的微观力学表征，可系统研究基底对超薄膜的影响并讨论受限聚合物体系力学性能的影响因素，是解决这一问题的有效手段。本项目拟分别以聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯为研究对象，使用微观力学表征系统研究附着于硬质基底（硅片）、软质基底（PDMS）以及自支撑超薄聚合物膜（蜂窝状薄膜）的力学性能，结合分子动力学模拟实验和其他表征方法，揭示超薄非晶聚合物膜力学性能的影响规律。本项目的实施有望丰富对纳米限域下聚合物超薄膜体系的了解，为指导超薄非晶聚合物膜的设计与制造奠定基础，具有重要的理论与应用价值。

非晶聚合物超薄膜属于纳米限域聚合物，其稳定性与可靠性对于光刻技术、仿生学、微纳设备等领域的发展至关重要。非晶聚合物超薄膜中的分子链构象、链缠结与链扩散由于限域与本体有极大区别，使其物理性能与本体有本质不同。从纳米制造的角度来看，系统研究纳米限域聚合物体系的力学性能，阐明非晶聚合物超薄膜力学性能的影响因素，探索纳米限域聚合物力学性能与本体之间的联系，并确定其制备条件与可靠性，具有重要的学术与应用价值。. 本项目系统研究了聚苯乙烯（PS）薄膜力学性能的厚度依赖性，具体讨论了分子量及其分布、硬质/软质基底及自支撑膜、制备方法及热处理等因素对PS薄膜力学性能厚度依赖性的影响，并比较了微观力学表征法、褶皱法、水滴法三种表征方法。本项目有如下主要结果：.一、不同分子量及分布的PS薄膜呈现不同的厚度依赖性。这可归因于受限导致的分子链凝聚态结构及缠结的变化以及由此引起的体系异质性涨落。.二、当薄膜厚度较低时，基底的杨氏模量对薄膜的力学性能有明显的影响。同一样品硬质基底上的杨氏模量较软质基底上的高，自支撑膜则有最高的杨氏模量。.三、超薄膜结构处于亚稳定态并可借助退火消除，样品在热退火后异质性及杨氏模量均有所降低。.四、相同样品用不同表征方法测试得到不同的厚度依赖性，这说明纳米限域的影响对不同力学刺激的响应不同。. 本研究的科学意义：.一、本研究证实PS超薄膜处于亚稳态，此时聚合物凝聚态结构与本体之间有明显区别，表现为微观杨氏模量和异质性的升高。而热退火能消除此亚稳态状态。可经过合理设计利用此现象调控超薄膜的力学性能。.二、PS超薄膜的分子量及分布、附着的基底、受力方式等因素对其力学性能有明显影响。在设计、制备纳米器件时，应考虑这些因素以优化产品性能。.三、鉴于不同测试方法表征的是材料不同尺度结构对力学刺激的相应，在评估纳米器件的力学性能时，应根据其用途选择合适的表征方法。