Block copolymer självförsamling har framkommit som en kraftfull bottom-up strategi för tillverkning av nanostructured material med oöverträffad precision och tunability. Genom att utnyttja den naturliga tendensen av oföränderliga polymerblock för att segregera till beställda domäner, kan forskare skapa mönster som sträcker sig från sfärer och cylindrar till lamelle och gyroider i längdsskalor av 5-100 nanometer. Denna förmåga har drivit genombrott i halvledar lithography, nanoicine, och energi.
Grundläggande av Block Copolymer Self-Assembly
Block copolymers består av två eller flera kemiskt distinkta polymerkedjor kovalent bundna tillsammans. De vanligaste är linjära AB diblock copolymers och ABA triblock copolymers. Självförsamlingsprocessen drivs av termodynamisk inkompatibilitet mellan block, kvantifierad av Flory-Huggins interaktion parameter θ, och graden av polymerisering N. När ÇN överstiger ett kritiskt värde (ciroximativt 10.5 för symmetrmetric diblocker), underkastning vera).
Nyckelparametrar som order-störning övergångstemperatur (T]ODT ]) och segregationsstyrkan kan justeras genom att ändra molekylvikt, blockkomposition eller temperatur. Senaste arbete har också fokuserat på hög- | kopolymerer (t.ex. kisel- eller fluorinininnehållande block) för att uppnå sub-5 nm-funktionsstorlekar som är väsentliga för nästa generations elektronik. Förstå dessa grundämnen är avgörande för rationell design av copolymers med önskad.
Bearbetning och kontrollteknik
Medan jämviktsstrukturer är väl förstådda, kräver att man inser dem i praktiken noggrann bearbetning. lösningsmedel annealing, termisk annealing och riktad självförsamling (DSA) är de primära metoderna för att uppnå långvarig ordning och kontrollerad orientering.
Solvent och termisk annealing
tryckförtätning innebär att man värmer kopolymerfilmen ovanför glasövergångstemperaturen (T]g]) eller T]]]ODT]] för att låta kedjor omorganiseras till lägre energikonfigurationer. Detta är enkelt för många kopolymerer men kan begränsas av termisk nedbrytning eller substrat dewetting. Solvent annealing, å andra sidan, exponerar filmen till en lösningsvaporrning som svullar polyver
Regisserad självförsamling (DSA)
DSA använder topografiska eller kemiska mönster på substrat för att styra beställningen av copolymerdomäner. Chemoepitaxy använder kemiska ränder med ytenergiskillnader som anpassar lamellär eller cylindriska domäner, medan graphoepitaxy använder fysiska skyttegravar för att begränsa kopolymeren och inducera registrering. DSA har framgångsrikt integrerats med optisk litografi för att producera sub-10 nm himaterial för ]] semiconductor production
Avancerade karaktäriseringstekniker
Observera och kvantifiera nanostrukturer vid sub-100 nm skala kräver sofistikerade verktyg. Atomic force mikroskopi (AFM) ger topografiska och fas bild av filmytor, avslöjar domänformer och beställning. Grazing-incidens liten vinkel elektromagdisk spridning (GISAXS) och synkrotronbaserade tekniker som är bulk strukturer med statistisk betydelse, extraherar domäner och orientering) distributioner och även kinetisk information under enneutaliseringstrening.
Nya framsteg
Grundläggande framsteg under de senaste fem åren har förlängt block copolymer självförsamling bortom klassiska morfologier. Nya hög-kärlekskopolymerer, såsom poly (trimethylsilylstyrene-b-polylactide) och polyet (vinylpyridin-b-oligosackarid) annars kan derivat möjliggöra sub-3 nm-funktioner. Blends of block copolymers with homodpolymers or nanoparticles introduce hierararchical structuring and functional property och funktional property
Block Copolymer Blends och hybrider
Blandning av två block kopolymerer eller tillsätt oorganiska nanopartiklar expanderar strukturbiblioteket. Co-församling av symmetriska och asymmetriska diblock ger mellanpenetrerande nätverk eller kontrollbordsmönster. Guld eller silika nanopartiklar sekvestrerade sekvestrerade sekvestrerade i en domän förmedlar plasmonisk eller katalytisk funktionalitet. Sådana hybridmaterial lovar för sensorer, katalysatorer och dielektriska speglar.
Skalbarhet och integration
För industriell adoption, roll-to-roll bearbetning och snabb termisk annealing har utvecklats för att hantera stora filmer med genomströmning som är kompatibel med tillverkning. Kombinerat med DSA, dessa metoder är nu förfinas för EUV-lithografi-kompatibla processer, vilket minskar behovet av dyra trippel-patterning steg.
Ansökningar om Nanostructured Material från Block Copolymer Self-Assembly
Precisionen och tunabilityen av blockcopolymer nanostructures har möjliggjort framsteg inom flera branscher.
Elektronik och litografi
Den mest mogna tillämpningen är i halvledar lithography, där DSA används för att skapa under-10 nm kontakt hål och linje / rymdmönster. Toshiba, IBM och IMEC har visat DSA integration i pilotlinjer för logik och minnesenheter. Block copolymer mallar också fungerar som masker för mönsteröverföring till kisel, kiselnitrid och metallskikt, möjliggör nanoscale transistorer, sammankopplare och bitpatterade media för hårddiskar.
Medicin och läkemedelsleverans
Block copolymer micelles, vesicles (polymersomes), och lyotropa flytande kristallina faser är omfattande studeras för kontrollerad release. Förmågan att ladda hydrofila och hydrophobic läkemedel inom separata domäner, i kombination med responsiva block (pH, temperatur, redox), tillåter riktad leverans med minskade biverkningar. Till exempel, ] Internationell Journal of Pharmaceutics recensioner blockerar copolymer nanoicles för cancer.
Energilagring och omvandling
Nanostrukturerade block copolymer elektrolyter för litium-jonbatterier erbjuder hög jonisk conductivity på grund av percolating vägar mellan joniskt ledande domäner, medan det styva blocket ger mekanisk integritet. På samma sätt blockerar kopolymer-härledda mesoporösa koldioxidutsläpp (via koldioxidutsläpp) används som superkapacitorelektroder med exceptionell yta och hastighetsförmåga. I organisk photovoltaics, blockerar kopolymerkompatibilisatorer stabiliserarerna av bulkojunctions, förbättrareringsförmåganctions.
Utmaningar och framtida riktningar
Trots anmärkningsvärda framsteg, flera utmaningar kvarstår. Uppnå perfekt långdistansordning över wafer-skala områden utan defekter förblir svårt. Defekta förintelse kinetiker är långsamma, och defekter kan försämra enhetens prestanda. Dessutom kräver många högkänsliga kopolymerer specialiserade monomerer som är dyra eller svåra att syntetisera. Miljömässiga problem när det gäller fluorerade eller kiselinininnehållande block också grönare alternativ. Titta framåt, integration av blockera självhäftning
Slutsats
Block copolymer självförsamling har mognat från ett fascinerande vetenskapligt fenomen till en praktisk nanofabrication plattform. Förskott i hög-kärl polymerer, riktad montering, och in-situ karakterisering har gjort det möjligt för funktionsstorlekar under 5 nm, komplexa 3D morfologier och integration i enheter. Bredden av applikationer-från nästa generationens datorchips till riktade läkemedelsleverans-understryker mångsidigheten, nanostructured material.