高分子超薄膜绿色交联技术的实验与理论研究

超薄高分子薄膜广泛用于半导体微电子和光电子领域，但是传统工艺交联高分子所采用的化学合成限制了其在半导体器件上的运用；高温处理交联又会导致异质层性能的退化；而一些物理交联，如电子束或者中子束辐照不仅处理成本过高，还会导致局部电离损失，损伤薄膜以及改变原来分子膜的特性。采用低能质子（H+）束轰击高分子薄膜可以实现选择性离解分子中的氢，但同样存在荷电积累的问题。本项目利用热氢（中性）与-CH分子碰撞来实现超薄高分子的交链，从而解决了交联过程中荷电损伤和电荷积累的问题。但作为一项刚刚开始研究的新技术，其热氢束流碰撞的机理以及交联过程的原理尚不清楚。本项目将在更新改进设备的基础上，完善超薄分子薄膜的交联技术，同时进行模拟计算，从而为该项新型绿色的技术提供理论支持。并为以此为基础开展相关的应用基础研究，包括表面功能化处理等。

对旋涂法制备C32H66超薄膜及其热氢轰击交联过程进行了系统的研究。应用XPS和AFM确立了旋涂技术控制C32H66薄膜的厚度的方法。研究表明，C32H66分子薄膜的平均厚度随C32H66的浓度而变化。第一次提出第一层是平躺和垂直分子的有序排列的混合结构，解释了大量文献中对测量C32H66分子长度（AFM高度上的）不一致的问题。对于C32H66的薄膜，目前报道获得的都只是物理吸附的有序结构，现在我们研究了交联的状态下的信息。首先成功交联了C32H66的超薄膜。我们的研究结果表明：C32H66的单分子薄膜，不论是处于垂直状态还是平行状态，热氢轰击都能够使C32H66分子中的C-H键断裂，从而使C32H66的单分子薄膜形成交联。. Poly(acrylic acid) (PAA)由于有着高浓度的羧基官能团而使其在生物兼容性等领域有着广阔的应用前景，但目前的制备方法，要么不能将PAA超薄膜很好的附着于基片表面，要么附着很好的却只能得到低浓度的羧基官能团，文献报道最好的情况最多也只到66%。而我们利用热氢轰击，将PAA超薄膜成功附着于基片的同时，得到了高羧基官能团的（90% -COOH）PAA超薄膜，同时对热氢轰击诱导其交联的过程进行了系统的研究。. 采用第一性原理计算软件，对于热氢轰击碳氢化合物引起的氢解离进行了理论研究。研究发现氢轰击会使碳链上的氢原子从碳链剥离形成自由基，同时生成H2。分别采用H原子、H质子、H2分子作为轰击粒子，发现H原子使H从碳链剥离所需要的能量最小。我们的研究同样发现，两条具有自由基的碳链，可以直接发生交联。用真实的分子C20H42作为模型系统，发现相对于分子的中间，分子的头部更容易发生交联。. 进一步探索并拓展了热氢轰击的应用，主要包括几方面：聚对二甲苯、十二烷基磷酸、聚二甲基硅氧烷以及聚碳酸酯和聚乳酸的热氢轰击研究；同时也增加了一些由本项目衍生的非常有意义的研究工作。