有限預應變軟彈性襯底上的圖案形成與微結構演化.pdf

1、納米結構的自組裝為新材料的合成帶來了新的機遇，也為新的物理和化學研究提供了新的研究對象。但如何更好的控制自組裝，讓自組裝朝著設計好的方向自發(fā)進行，需要對自組裝規(guī)律和機理有進一步的更深刻的理解。目前自組裝的研究一般都是在固體表面進行，相對而言，軟彈性襯底上的自組裝現(xiàn)象尚未得到充分關注。而軟彈性材料由于其獨特的優(yōu)點，在微電子工業(yè)中的應用越來越廣泛。如何利用軟彈性材料高彈性的特點，實現(xiàn)其對表面自組裝過程的調(diào)控，還有待進一步的探索。因此，本文以

2、軟彈性襯底為研究對象，建立了基于軟彈性固體變形的相場動力學模型，通過數(shù)值模擬，研究了有限預應變軟彈性襯底上單層膜的圖案形成和微結構演化，并探討了軟彈性襯底上自組裝過程的可控性。本文的主要工作可歸納如下： 研究了有限預拉伸對軟彈性襯底上二元單層膜相分離組分疇自組裝過程的影響。以組分濃度作為序參量，計入襯底彈性變形的影響，建立了一個適用于模擬軟彈性襯底上單層膜自組裝過程的連續(xù)相場模型，模擬了有限預拉伸軟彈性襯底上二元單層膜的組分演化

3、。數(shù)值模擬結果表明，有限預拉伸控制組分疇的生長方向，引導圖案沿預拉伸方向優(yōu)先生長。有限預拉伸的強度越大，條紋的寬度和間距越小。有限預拉伸強度的增大，也加速了條紋形成的過程。改變單層膜的組分濃度和襯底的有限預拉伸強度，可得到多種多樣的有序圖案，包括伸長的點陣，平行的段狀條紋，以及完全平直的條紋等。圖案的特征尺寸由有限預拉伸的強度決定。所以，相分離圖案可通過調(diào)節(jié)襯底的有限預拉伸強度和單層膜的組分濃度來進行有效的調(diào)控。 研究了表面化學

4、修飾和襯底有限預拉伸的聯(lián)合作用對軟彈性襯底上自組裝圖案形成的影響。對襯底進行預先的有限拉伸，可以調(diào)節(jié)襯底的瞬時彈性性質(zhì)、材料對稱性以及其與表面上分子的相互作用，而表面化學修飾則導致了局部平均濃度的改變?？紤]表面化學的影響，建立了二元單層膜組分演化的連續(xù)相場動力學模型。連續(xù)相場動力學模擬結果揭示了：通過表面化學修飾，改變了襯底表面的局部平均濃度，導引組分疇形核，形成了豐富的演化初始圖案，從而引導最終生成的圖案花樣；有限預拉伸則控制了組分疇

5、的生長方向，從而增加了相分離圖案的有序性。在表面化學修飾和襯底有限預拉伸的聯(lián)合作用下，獲得了可控性更高、形貌更豐富的相分離圖案。 研究了多組分和襯底的有限預拉伸對軟彈性襯底上自組裝圖案形成的影響。組分的增加，使得系統(tǒng)的能量也隨之發(fā)生較大變化。因此綜合考慮有限預拉伸和多組分的共同作用，建立了一個模擬三元單層膜組分演化的連續(xù)相場動力學模型。模擬結果表明，相分離圖案很大程度依賴于有限預拉伸的強度和各相的相對百分比。有限預拉伸引導組分疇