نانومواد

مهندسی فوق شبکه سه بعدی با اپیتاکسی کوپلیمر بلوک

مهندسی فوق شبکه سه بعدی با اپیتاکسی کوپلیمر بلوک

 

 

مهندسی فوق شبکه سه بعدی با اپیتاکسی کوپلیمر بلوک
کنترل تقارن و جهت گیری یک شبکه فوق العاده BCP. (الف) شماتیک جریان فرآیند شیمی درمانی. یک الگوی ۲ بعدی از نظر سنگی تعریف شده است. سپس یک BCP روی الگو چرخانده می شود. بازپخت حرارتی DSA از BCP را به ابرشبکه های سه بعدی تبدیل می کند. (B تا E) هر ردیف به شیمی پیتاکسی سه لایه میسل PS-b-PMMA در یک الگوی الگوی خاص اشاره دارد: BCC (001) ، BCC (110) ، مکعب صورت محور (FCC) (001) و FCC (110) در هر ردیف از چپ به راست ، پانل ها با موارد زیر مطابقت دارند: یک سلول واحد که صفحه هدف را نشان می دهد ، طرح ۲D الگو با صفحه مطابقت دارد ، ساختار سه بعدی شبکه مونتاژ شده روی الگو ، میکروسکوپ الکترونی روبشی از بالا به پایین (SEM) از نمونه مونتاژ شده و تصاویر STEM از فیلم مونتاژ شده در شیب نمونه ۰ و ۴۵ درجه گرفته شده است. برای شفافیت ، فقط هسته های میسل در نمودار نشان داده شده اند. در ساختار سه بعدی فیلم جمع شده ، هسته های PMMA در لایه های مختلف در سایه های مختلف آبی رنگ می شوند. حفره های موجود در تصاویر میکروسکوپ الکترونی ساختارهای مورد انتظار را نشان می دهد. میله های مقیاس ، ۱۰۰ نانومتر. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0002

مهندسی فوق شبکه سه بعدی با اپیتاکسی کوپلیمر بلوک ساختارهای سه بعدی (۳-D) در مقیاس نانو در دستگاه های مدرن مهم هستند ، اگرچه ساخت آنها با از بالا به پایین پیچیده و گران است. کوپلیمرهای مسدود شده (BCP) که با شبکه های اتمی مشابه هستند می توانند خود به خود تنوع غنی ۳-D را تشکیل دهند. ساختارهای نانو برای ساده سازی نانو ساخت ۳ بعدی. در گزارش جدیدی در مورد پیشرفتهای علمی ، جیاکسینگ رن و یک تیم تحقیقاتی در زمینه مهندسی مولکول ، مهندسی شیمی و علوم مواد در دانشگاه شیکاگو ، انستیتوی فناوری Technion-Israel و آزمایشگاه ملی آرگون در ایالات متحده و اسرائیل با استفاده از BCP میسل ها یک ابرجنس ۳ بعدی تشکیل دادند. آنها این فرایند را با استفاده از الگوهای ۲-D تعریف لیتوگرافی که با یک صفحه بلورین در ابر شبکه ۳-D مطابقت دارند ، کنترل کردند. با استفاده از توموگرافی میکروسکوپ الکترونی الکترونی روبشی ، تیم کنترل دقیق تقارن شبکه و جهت گیری آن را نشان داد. آنها از طریق فیلمهایی با ضخامت ۲۸۴ نانومتر به ترتیب عالی و ثبت بستر دست یافتند. دانشمندان برای ایجاد واسطه در پایداری شبکه ، به ناامیدی بسته بندی مولکولی فوق شبکه پرداختند و بازسازی شبکه ناشی از سطح را مشاهده کردند که منجر به تشکیل یک شبکه لانه زنبوری منحصر به فرد شد.

چالش اصلی در علم مواد این است که یک شبکه ساخته شده بر روی اتمها و مولکول های کریستالوگرافی را پیش بینی و کنترل کنید. در اپیتاکسی اتمی (نوعی رشد بلور) ، بستر زیرین می تواند پارامتر شبکه را تعیین کند و جهت گیری رشد اپیتاکسیال. با کنترل دقیق هندسه شبکه نازک اپیتاکسیال می توان به دانشمندان این فرصت را داد تا ساختارهایی با خصوصیات منحصر به فرد الکترونیکی ، الکترونیکی و مغناطیسی ایجاد کنند. به عنوان مثال ، در یک مورد ساده از کوپلیمرهای دی بلوکی A-B ، کوپلیمرهای A و B از نظر شیمیایی متشکل از کووالانسی به تشکیل یک ماکرومولکول متصل می شوند. آنها می توانند بسته به مواد شیمیایی بلوک و کسرهای حجمی ، به شکل های مختلفی مانند استوانه ها و کره ها از هم جدا و خود جمع شوند. از آنجا که چنین رفتارهایی در آلیاژهای فلزی معمول است ، نتایج نشان می دهد تشابهات اساسی بین مکانیسم های حاکم بر پایداری شبکه در هر دو ماده سخت و نرم. ساختارهای خود مونتاژ شده در فیلمهای نازک BCP توسط الگوهای بستر با ویژگی های توپوگرافی مانند گرافوپیتاکسی یا کنتراست شیمیایی هدایت و کنترل می شوند شیمی درمانی پیتاکسی .

کنترل تقارن و جهت گیری یک شبکه فوق العاده BCP.

مهندسی فوق شبکه سه بعدی با اپیتاکسی کوپلیمر بلوک
جریان فرایند برای شیمی مونتاژ شیمیایی از یک کوپلیمر بلوک کره تشکیل شده است. (A) یک لایه پلی استایرن قابل اتصال به ضخامت ۸ نانومتر (X-PS) پوشش داده شده و روی بستر Si پیوند زده شد. (B) یک مقاومت به ضخامت ۴۰ نانومتر با لیتوگرافی پرتو الکترونی پوشانده شده و الگو می شود. سپس فیلم با پلاسمای O2 تحت درمان قرار گرفت تا رفتار خیس شدن ناحیه در معرض اصلاح شود. (C) مقاومت برای از بین بردن الگوی شیمیایی حذف شد. (D) کوپلیمر بلوک (BCP) به ضخامت دلخواه چرخانده شد. (E) BCP در دمای ۱۹۰ درجه سانتیگراد آنیل شد تا در ابر شبکه های میسل های کروی جمع شود. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0002

در طی شیمی پیتاکسی ، می توان یک لایه نازک پلیمری را به روش لیتوگرافی تعریف و اصلاح شیمیایی کرد تا یک الگوی راهنمای ۲-D ایجاد کند تا به طور ترجیحی با یکی از بلوک ها تعامل داشته باشد. BCP ها ( کوپلیمرهای بلوک ) سپس بر روی الگو پوشانده می شوند تا خود در ساختارهای بسیار مرتب و سازگار با الگوی لیتوگرافی سازمان دهید. تاکنون دانشمندان از مونتاژ خودگردانی (DSA) BCP برای تکمیل الگوهای ۲-D در فیلم های نازک استفاده کرده اند و از آنها به عنوان ماسک اچ برای ساخت نیمه هادی . با این وجود ، پتانسیل دست نخورده فوق العاده ای برای تشکیل مستقیم ساختارهای ۳-D با نظم و بستر عالی وجود دارد ثبت نام بر اساس اپیتاکسی BCP برای ساده سازی فرآیند تولید نانو ۳ بعدی D رن و همکاران ایده های DSA (خود مونتاژ خودکار) را برای کشف قوانین طراحی برای اپیتاکسی BCP 3-D ، با استفاده از یک BCP کره ساز به عنوان یک سیستم مدل گسترش داد. آنها در حین فرآیند از الگوهای شیمیایی ۲-D تعریف شده و طرح های ۲-D قالب و ضخامت فیلم برای بررسی پایداری شبکه در انواع مختلف استفاده کردند ، ضمن اینکه به توانایی اپیتاکسی (رشد بلور) برای انتشار از طریق فیلم های ضخیم اشاره کردند. اپیتاکسی ابر شبکه ۳-D تشکیل شده با میسل های BCP راهنمایی در مورد اپیتاکسی ساختارهای پیچیده تر را ارائه می دهد. این کار بینش جدیدی در مورد مکانیسم های اساسی حاکم بر کنترل تقارن در مواد نرم و سخت ارائه می دهد.

رن و همکاران برای اولین بار کنترل تقارن و جهت گیری ابر شبکه BCP با استفاده از شیمی پیتاکسی را نشان داد. آنها شامل پلی استایرن-بلوک-پلی (متیل متاکریلات) (PS- b -PMMA ) برای تشکیل میسل های حاوی هسته ساخته شده از بلوک PMMA کوتاه تر ، در حالی که توسط یک تاج (سر) ساخته شده از بلوک PS احاطه شده است. شکل میسلها بصورت جداگانه به شکل کروی بود ، در حالی که در ذوب پلیمری فله ای چند وجهی پر کننده فضا را تشکیل می داد ، یک شبکه مکعب بدن محور (BCC) را به کار می گرفت. دانشمندان با استفاده از فرم شبکه های BCC فله را مشخص کردند آنها سپس یک ساختار ۳ بعدی ساختند و از روش پشت اچ a “استفاده کردند > برای تأیید سازگاری با تهیه نمونه بر روی غشای نیترید سیلیکون برای میکروسکوپ الکترونی عبوری (STEM ) خصوصیات از آنجا که کنترل شبکه در این مطالعه مبتنی بر دستکاری شرایط مرزی بود ، تیم مشاهده polypypism است (نوع چندشکلی) هنگامی که ساختارهای مختلف شبکه ، طرح و فاصله یکسانی را در صفحه دارند.

مهندسی فوق شبکه سه بعدی با اپیتاکسی کوپلیمر بلوک
تحول سود با ۳D DSA. (A) شبکه های BCC و FCC را می توان از طریق تبدیل Bain متصل کرد. خطوط سیاه و کره های قرمز سلول واحد BCT را برای توصیف این تغییر شکل نشان می دهد. قطر کره برای شفافیت به نصف کاهش می یابد. (B) پنجره فرآیند اپیتاکسی شبه شکل را که توسط حجم سلول واحد نرمال شده در برابر نوع شبکه نشان داده شده است. دایره های کامل سبز نمایانگر مونتاژ منظم و دایره های باز قرمز نشان دهنده فیلم هایی با تراس بندی یا ترتیب تصادفی است. خط نقطه ای آبی نشان دهنده همان حجم سلول واحد با BCC فله است. (C) نمودارهای سلولهای واحد BCT و سلولهای Wigner-Seitz مربوطه (چند وجهی قرمز) در (B) که تغییر نوع شبکه را در جهت x و تغییر حجم سلول واحد را در جهت y نشان می دهد. (D) کروی بودن سلولهای Wigner-Seitz برای تقارن های مختلف شبکه ای که با ضریب هم فاصله (IQ) اندازه گیری می شود. خطوط تار بنفش نشان دهنده مرز پنجره فرآیند در (B) است. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0002

پایداری شبکه تحت فشار و اپیتاکسی از طریق فیلم های ضخیم

دانشمندان در مرحله بعدی پایداری شبکه را تحت فشارهای کششی و فشاری دو محوری مورد بررسی قرار دادند ، جایی که ساختارهای حاصل حاوی سه لایه میسل بود که یک تقارن چهار ضلعی (BCT) بدن محور را نشان می دهد. نتیجه اعوجاج چهار ضلعی در این مطالعه ، BCC (شبکه مکعب بدن محور) را با یک چارچوب شبکه مکعب صورت محور (FCC) در فرآیندی به نام تبدیل باین. تغییر حاصل در نوع شبکه و حجم سلول واحد با تغییر در شکل و حجم جداگانه میسل ها ارتباط دارد. دانشمندان با اشغال b -PMMA را تجسم کردند. -Physics / WignerSeitz-Cell / WignerSeitz-Cell / 10.1117 / 3.2510243.ch5؟ SSO = 1 “> سلولهای Wigner-Seitz (یک سلول واحد ابتدایی).

این کار نشان می دهد که حجم میسل ها ثابت هستند ، فرضیه های قبلی مورد استفاده برای طراحی الگوهای هدایت شبکه های غیر فله را تأیید می کند. این تیم حجمهای micelle را برای جلوگیری از مجازات های آنتروپیک که ممکن است به دلیل ضخامت ایجاد شود ، حفظ کرد. از فیلم و الگوی راهنما. شکل نهایی میسل های مونتاژ شده در نتیجه متعادل سازی نیاز به پر کردن یک فضا به صورت یکنواخت و تمایل به تقارن کروی در تنظیمات است. این تیم بیشتر اپیتاکسی (رشد بلور) را از طریق فیلم های ضخیم بررسی کرده و توانایی الگوی الگو را برای انتشار در جهت عمودی بررسی کرد.

مهندسی فوق شبکه سه بعدی با اپیتاکسی کوپلیمر بلوک
DSA از طریق فیلم های ضخیم. (A) DSA در قالب های BCC (001) و FCC (001) با ضخامت های مختلف فیلم. ساختارهای منظم (نقاط سبز پر) فقط زمانی حاصل می شوند که ضخامت فیلم متناسب با فاصله لایه مربوطه باشد (خطوط نقطه سبز). (B) تصاویر SEM از بالا به پایین DSA در فیلم با ضخامت ۲۸۳٫۹ نانومتر. میله های مقیاس ، ۱۰۰ نانومتر. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0002

بازسازی شبکه مشبک سطح

طی مطالعات اضافی ، Ren و همکاران از توموگرافی STEM برای آشکار کردن یک فیلم نازک حاوی سه لایه میسل استفاده کرد ، جایی که یک لایه مرکزی شبیه الگوی لانه زنبوری بود که بین دو لایه نیم میسل شش ضلعی در بالا و پایین قرار داشت. آنها با استفاده از مقطع برش دیجیتالی ، هسته های PMMA میسل را در لایه های بالا و پایین نشان دادند که در حلقه های شش عضوی لایه لانه زنبوری قرار دارند. هنگامی که آنها شبکه منحصر به فرد لانه زنبوری را با شبکه مکعب بدن محور (BCC) با چهار لایه میسل مقایسه کردند ، به نظر می رسد لایه های بالا و پایین برای هر دو شبکه مشابه هستند ، در حالی که به نظر می رسد لایه میانی شبکه BCC “ادغام” می شود یک لایه داخل شبکه لانه زنبوری. با استفاده از سلولهای Wigner-Seitz ، این تیم ترجیح ساختار شبکه لانه زنبوری را در مقایسه با ساختار شبکه BCC در سیستم تجسم کردند – و این پدیده را به عنوان تلاشی برای جلوگیری از مجازات های آنتروپیک از کشش زنجیره ای در سطح ، تصور کردند.

مهندسی فوق شبکه سه بعدی با اپیتاکسی کوپلیمر بلوک
تشکیل شبکه لانه زنبوری از طریق اعوجاج شبکه. (A) برش های درون صفحه ای که از توموگرافی STEM ایجاد شده است و تقارن های شش ضلعی را در لایه های بالا و پایین و تقارن لانه زنبوری را در لایه میانی نشان می دهد. (B) مقطع برش دیجیتالی در امتداد خط تکه تکه طلایی رنگ در (A) شبکه لانه زنبوری سه لایه را نشان می دهد. (C) نمودارهای سه بعدی BCC (111) و شبکه لانه زنبوری که آرایش سلولهای Wigner-Seitz را نشان می دهد. سلول ها در لایه های مختلف با سایه های مختلف قرمز رنگ می شوند. (D) سطح مقطع در امتداد صفحه طلایی در (C) که سطوح ناهموار BCC (111) را در مقابل سطوح صاف شبکه لانه زنبوری نشان می دهد. میله های مقیاس ، ۵۰ نانومتر. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0002

به این ترتیب ، جیاکسینگ رن و همکارانش مجموعه ای از قوانین طراحی را برای مونتاژ ۳ بعدی میسل های BCP با استفاده از الگوهای ۲ بعدی نشان دادند. آنها دقیقاً تقارن ها و جهت گیری های کریستالوگرافی را بر اساس طراحی قالب و ضخامت فیلم کنترل کردند. ابرشبکه های بسیار مرتب و مناسب می توانند در طراحی مواد فوتونی و پلاسمونیک گنجانده شوند. این تیم می تواند میسل ها را با تنظیم شیمی پلیمر یا با تبدیل ساختارهای مونتاژ شده به اکسیدهای فلز یا فلزات . همچنین نتایج تشابهات جذاب بین اپیتاکسی BCP و اپیتاکسی اتمی را نشان داد. الگوهای لیتوگرافی تعریف شده در این کار انعطاف پذیری برای رمزگشایی از اصول اساسی کنترل تقارن را ارائه می دهند.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا