有限預(yù)應(yīng)變軟彈性襯底上的圖案形成與微結(jié)構(gòu)演化.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)的自組裝為新材料的合成帶來(lái)了新的機(jī)遇，也為新的物理和化學(xué)研究提供了新的研究對(duì)象。但如何更好的控制自組裝，讓自組裝朝著設(shè)計(jì)好的方向自發(fā)進(jìn)行，需要對(duì)自組裝規(guī)律和機(jī)理有進(jìn)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(jìn)行，相對(duì)而言，軟彈性襯底上的自組裝現(xiàn)象尚未得到充分關(guān)注。而軟彈性材料由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在微電子工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。如何利用軟彈性材料高彈性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其對(duì)表面自組裝過(guò)程的調(diào)控，還有待進(jìn)一步的探索。因此，本文以

2、軟彈性襯底為研究對(duì)象，建立了基于軟彈性固體變形的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值模擬，研究了有限預(yù)應(yīng)變軟彈性襯底上單層膜的圖案形成和微結(jié)構(gòu)演化，并探討了軟彈性襯底上自組裝過(guò)程的可控性。本文的主要工作可歸納如下： 研究了有限預(yù)拉伸對(duì)軟彈性襯底上二元單層膜相分離組分疇自組裝過(guò)程的影響。以組分濃度作為序參量，計(jì)入襯底彈性變形的影響，建立了一個(gè)適用于模擬軟彈性襯底上單層膜自組裝過(guò)程的連續(xù)相場(chǎng)模型，模擬了有限預(yù)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(jié)果表明，有限預(yù)拉伸控制組分疇的生長(zhǎng)方向，引導(dǎo)圖案沿預(yù)拉伸方向優(yōu)先生長(zhǎng)。有限預(yù)拉伸的強(qiáng)度越大，條紋的寬度和間距越小。有限預(yù)拉伸強(qiáng)度的增大，也加速了條紋形成的過(guò)程。改變單層膜的組分濃度和襯底的有限預(yù)拉伸強(qiáng)度，可得到多種多樣的有序圖案，包括伸長(zhǎng)的點(diǎn)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(yù)拉伸的強(qiáng)度決定。所以，相分離圖案可通過(guò)調(diào)節(jié)襯底的有限預(yù)拉伸強(qiáng)度和單層膜的組分濃度來(lái)進(jìn)行有效的調(diào)控。 研究了表面化學(xué)

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

5、的生長(zhǎng)方向，從而增加了相分離圖案的有序性。在表面化學(xué)修飾和襯底有限預(yù)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(yù)拉伸對(duì)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(yù)拉伸和多組分的共同作用，建立了一個(gè)模擬三元單層膜組分演化的連續(xù)相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型。模擬結(jié)果表明，相分離圖案很大程度依賴于有限預(yù)拉伸的強(qiáng)度和各相的相對(duì)百分比。有限預(yù)拉伸引導(dǎo)組分疇