利用超热氢技术实现高分子薄膜表面可控交联及其应用研究

Tuning the surface physical and chemical structure of the polymer film is an effective method to obtain film materials with desirable properties, which makes it an extremely valuable research focus of polymer physics. With the combination of our previous fundamental research in the micro-phase separation of and dewetting of block copolymer film, we propose the research in the hyperthermal hydrogen induced cross-linking (HHIC) method and its effect on physical transition of polymer film as follows: 1) explore the basic rules and key factors of controllable cross-linking polymer thin film via HHIC method; 2)build up a bilayer structure in a ultrathin polymer film using HHIC and study the effect of the cross-linking degree on the wrinkle mechanism and kinetics of homopolymer films; 3) investigate the influence of the thickness, modulus and chemical structure of cross-linking layer on the micro-phase separation of block copolymer thin films. Further tune the dewetting and wrinkle of homopolymers and micro-phase separation of block copolymers using HHIC method. Based on the above research, the relation between the controllable cross-linking of polymer surface and the structure evolution of the film will be established, which in turn provides theoretical guidance and approaches for the fabrication of polymer film materials and devices with multi-scale structures.

调控聚合物薄膜表面物理化学结构是获得具有预想性能薄膜材料的有效途径，也是高分子物理学中的热点问题，具有重要的研究价值。本项目结合我们在嵌段共聚物薄膜微相分离和均聚物去润湿方面的研究基础，针对超热氢诱导交联技术（HHIC）及其对薄膜在退火过程中转变行为的影响拟进行如下研究：1）揭示超热氢诱导聚合物薄膜进行表面交联的基本规律，实现可控交联的关键因素和此技术的普适性。2）利用HHIC技术在聚合物纳米薄膜体系中构筑双层膜结构，并探讨其发生起皱的机理和规律。3）进一步研究交联层厚度、模量和表面化学结构的变化等因素对嵌段共聚物的微相分离行为的影响，进而通过HHIC技术实现对聚合物纳米薄膜去润湿行为的抑制以及对嵌段共聚物的微相分离和均聚物起皱行为的调控。通过上述研究，构建可控表面纳米交联对聚合物薄膜在退火过程中物理结构演变影响机理，为利用聚合物薄膜制备多尺度结构的材料和器件提供理论指导与新的思路。

薄膜起皱和嵌段共聚物自组装是纳米科学中经常见的两种现象,表面起皱在制备表面图案、开发功能材料、检测超薄膜性能等方面具有广泛应用。但现有的制备起皱图案的方法通常都需要多步且过程比较复杂，并且这些方法只能被应用在微米厚度以上的薄膜中。本课题采用超热氢诱导交联法（HHIC）对聚合物超薄膜进行表面处理，在此基础之上制得纳米起皱图案，并研究起皱机理。并用纳米起皱基底来调控嵌段共聚物的自组装。主要研究结果如下：.（1）利用HHIC处理聚合物超薄膜构造双层膜结构，设计了通过热退火处理生成了纳米起皱图案的方法，其起皱的特征波长在150到300 nm之间，振幅在15到50nm之间。系统研究了薄膜厚度、超热氢处理时间、退火温度等观察起皱图案形貌和尺寸的变化。研究发现能量学的改变会导致起皱图案特征波长的变动，应力的变化会使起皱图案的形貌在迷宫状峰脊图案与单个点图案（凸出或凹下）之间过渡演变。使用纳米图案化的硅片作为模板对起皱图案的形貌进行控制，制得了多尺度的、各向异性的表面起皱图案。.（2）系统研究了了不同尺寸的起皱图案基底对嵌段共聚物为相分离过程及形态的影响。当起皱尺寸不同时，因为起皱基底粗糙度都在临界粗糙度以上，共聚物形成垂直取向。退火时间逐渐延长与退火温度逐渐升高时，垂直取向部分都越来越少，到最后，垂直取向结构都趋向于消失。研究结果提供了一种有效的可在超薄聚合物薄膜中制备纳米尺度图案的方法，具有一定的理论与应用价值。