刚-柔嵌段共聚物平面自组装行为研究

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嵌段共聚物由于链段间物理化学性质的差异,可以自组装形成多种形态的聚集体,如球状胶束、棒状胶束和碟状胶束等。当嵌段共聚物受限在平面上时可以形成多种具有不同微相结构的薄膜。这些聚合物薄膜在高密度存储介质、多孔纳米薄膜以及纳米光刻技术等领域有着潜在的应用价值。  本文通过耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics,DPD)模拟研究了两亲性刚柔嵌段共聚物在平面基板上的吸附及自组装行为,考察了共聚物浓度和基板表面性质的影响,发现了半柱状的条纹状薄膜。在模拟中发现的条纹状的薄膜能够很好地对应聚(γ-苄基L-谷氨酸酯)-b-聚乙二醇(PBLG-b-PEG)共聚物在涂有聚苯乙烯(PS)均聚物的硅片上自组装形成的条纹图案薄膜。我们还研究了共聚物浓度和基板表面性质差异对聚合物吸附以及条纹图案有序性的影响,并且探究了嵌段共聚物中刚性链段的刚性强弱、溶剂选择性以及基板形状对自组装的影响。具体内容为以下几个部分:  (1)在模拟体系中构建刚性平面基板,基板上方随机分布有两亲性刚-柔嵌段共聚物和选择性溶剂珠子,研究聚合物在基板上的吸附行为。发现嵌段共聚物可以吸附在基板表面形成具有条纹结构的薄膜,该条纹为半柱状结构,其内核为疏溶剂的刚性嵌段,外层为亲溶剂的柔性嵌段。主要研究了聚合物浓度以及平面基板与聚合物的亲和性对吸附和自组装行为的影响。此外,定义了三个角度对条纹状结构的内部结构进行了表征。模拟结果表明在聚合物浓度以及基板与聚合物亲和力都较大时,共聚物可以在基板上形成厚度可控的有序条纹状薄膜。同时,设计了一个实验来验证模拟的结果,实验结果与模拟相一致。该工作提供了一种制备有序条纹的可控方法。  (2)通过改变模型中刚性链段的键角能常数调节刚性链段的刚性强度,探究刚性强弱对条带的形成以及条纹图案的有序性的影响。在刚性较小的情况下,共聚物无法形成明显的条带。随着刚性的增大,共聚物能够形成较明显的条带并且基板上条纹图案的有序性也会增大。此外,由于刚性链段的存在,嵌段共聚物在自组装过程中的熵损失较小,允许化学不相容性较小的刚-柔嵌段共聚物发生微相分离,形成条纹图案。  (3)研究了刚-柔嵌段共聚物在平面基板上形成除半柱状条带以外的结构,通过调整选择性溶剂对刚-柔嵌段共聚物两种嵌段的选择性确定了能够形成半柱状条带、垂直于基板的层状相以及平行于基板的层状相的相互作用参数。此外,通过设计基板的形状,获得了与基板形状具有相似拓扑特征的条纹图案。
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