“杂化巨型分子”的设计、合成与自组装研究

岳衎^∗，文韬，程正迪

华南软物质科学与技术高等研究院，华南理工大学，广州 广东 510641

摘要

随着信息科学及微电子工业的持续发展，以光刻为代表的“自上而下 (top-down)”的微加工工艺在技术上和成本上都逐渐难以满足电子器件不断小型化的要求。近年来，基于分子自组装的“自下而上 (bottom-up)”的微加工策略在制备具有极小特征尺寸的纳米结构上体现出了巨大的应用潜力。目前，相关研究主要集中于通过嵌段共聚物的微相分离以获得纳米尺度上的有序结构。然而，嵌段共聚物微相分离的热力学机理限制了其可达到的最小周期尺寸。为了克服传统嵌段共聚物的局限性，我们设计并合成了一类新型“杂化巨型分子 (hybrid giant molecules)”。这些杂化巨型分子是指一类通过有机和无机的纳米基元构建而成的、具有精确结构的分子。通过改变构筑基元的化学结构以及分子拓扑结构，我们可以调控各基元之间的相互作用力和分子堆积方式，从而得到具有不同相态的自组装结构，如球状相、柱状相和层状相等。同传统的嵌段共聚物相比，杂化巨型分子的自组装通常具有以下特点：1. 其自组装结构具有更小的特征尺寸 (< 10 nm)；2. 无机纳米基元与常见的有机小分子、高分子之间的刻蚀选择性较高，有利于纳米图案的形成及转移；3. 由于不存在链缠结，杂化巨型分子往往具有极快的自组装速率；4. 相对精确的化学组成有望降低自组装结构中的缺陷密度。我们计划采用“定向自组装 (directed self-assembly, DSA)”的方法控制自组装结构在薄膜内的取向，并系统地研究杂化巨型分子在空间受限及表面受限下的自组装行为，包括薄膜厚度及基底表面性质对其自组装结构的影响，以及可能存在的亚稳态结构和“有序-有序相转变 (OOT)”等。这些工作将为具有极小尺度的二维纳米图案的制备提供新的思路和途径，在拓展和加深对于软物质基础理论认识的同时，实现先进杂化材料在高性能微电子器件制造中的应用。

DOI: 10.12110/firstfmge.20171121.423