基于空間調(diào)制電場的聚合物微納米結(jié)構(gòu)成形機理及控制.pdf

1、聚合物微納米結(jié)構(gòu)由于獨特的物理和化學(xué)功能而受到越來越多的關(guān)注，可以廣泛應(yīng)用于微流控、有機光電子、生物檢測等方面。在聚合物微納米結(jié)構(gòu)制造方法中，空間調(diào)制電場誘導(dǎo)聚合物流變成形技術(shù)由于在材料普適性、結(jié)構(gòu)均勻性等方面的獨特優(yōu)勢，獲得了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。“空間調(diào)制電場誘導(dǎo)聚合物流變成形”工藝采用結(jié)構(gòu)化導(dǎo)電模板與涂覆有聚合物薄膜的導(dǎo)電襯底作為對電極，形成誘導(dǎo)模板/空氣/聚合物/導(dǎo)電襯底的多層結(jié)構(gòu)。電極對之間施加電壓后，因模板結(jié)構(gòu)的調(diào)制，在空氣-聚合物

2、界面處形成隨空間位置變化的電場。這種“空間調(diào)制電場”產(chǎn)生的Maxwell應(yīng)力張量驅(qū)動聚合物朝向誘導(dǎo)模板運動，形成具有一定形貌或尺寸的聚合物微納米結(jié)構(gòu)。
　　本文圍繞空間調(diào)制電場誘導(dǎo)聚合物流變成形工藝的機理和控制方法展開了研究，其出發(fā)點和研究結(jié)果如下：
　　1）空間調(diào)制電場誘導(dǎo)成形中，聚合物的形貌完全由調(diào)制電場控制，不存在其它任何幾何約束，因此，正確理解聚合物在空間調(diào)制電場作用下的流變機理是實現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)高保真復(fù)形的關(guān)鍵。但是

3、，基于流體潤滑理論的線性穩(wěn)定分析方法，忽略了微納米尺度效應(yīng)的影響，不能準確描述空間調(diào)制電場作用下聚合物的流變行為，尤其不適用于低粘度聚合物電場誘導(dǎo)的快速成形。
　　為此，本文基于電流體動力學(xué)，兼顧微納尺度效應(yīng)，建立了非線性兩相流動力學(xué)模型，從力學(xué)行為狀態(tài)分析出發(fā)，研究了聚合物在空間調(diào)制電場作用下的流變成形機理，將整個誘導(dǎo)過程分為三個階段：成形階段、準靜態(tài)階段以及融合階段。只有在準靜態(tài)階段固化聚合物才能得到與模板圖案一致的復(fù)形結(jié)構(gòu)。

4、①
　　2）目前空間調(diào)制電場誘導(dǎo)聚合物流變成形研究中，都是直接展示與模板圖案一致的復(fù)形結(jié)構(gòu)，忽略了工藝參數(shù)不合理導(dǎo)致聚合物結(jié)構(gòu)與誘導(dǎo)模板圖案的不一致性。
　　為此，本文提出了強/弱調(diào)制概念以描述聚合物復(fù)形結(jié)構(gòu)與誘導(dǎo)模板圖案的異同，定義聚合物復(fù)形結(jié)構(gòu)與模板圖案一致為強調(diào)制，反之為弱調(diào)制。仿真分析和實驗觀察表明：聚合物氣液界面處電場分布中的平均分量是導(dǎo)致聚合物復(fù)形結(jié)構(gòu)與模板圖案不一致的根本原因。進而提出了調(diào)制強度以表征調(diào)制狀態(tài)，

5、分析了工藝參數(shù)對調(diào)制強度的影響，研究了通過調(diào)整工藝參數(shù)實現(xiàn)強調(diào)制復(fù)形的途徑。
　　3）歸結(jié)于聚合物高保真復(fù)形與結(jié)構(gòu)大深寬比之間的矛盾，即大深寬比結(jié)構(gòu)復(fù)形意味著誘導(dǎo)過程中的大空氣間隙，然而大空氣間隙會導(dǎo)致電場力不足以驅(qū)動聚合物克服表面張力和黏滯阻力形成與模板圖案一致的結(jié)構(gòu)，因此，空間調(diào)制電場誘導(dǎo)聚合物流變成形技術(shù)僅能實現(xiàn)小深寬比結(jié)構(gòu)（一般小于1）。
　　為此，本文從聚合物材料特性和工藝方法出發(fā)，分別提出了導(dǎo)電聚合物空間調(diào)制電場

6、誘導(dǎo)成形和預(yù)結(jié)構(gòu)聚合物空間調(diào)制電場誘導(dǎo)成形兩種變種工藝，從調(diào)制強度概念出發(fā)比較了變種工藝與傳統(tǒng)工藝的差異性，從仿真分析角度闡述了變種工藝實現(xiàn)大深寬比微納米結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，從實驗手段出發(fā)制備了傳統(tǒng)工藝所沒有實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)深寬比。
　　4）現(xiàn)階段空間調(diào)制電場誘導(dǎo)聚合物流變成形技術(shù)著眼的微納米結(jié)構(gòu)都是單一尺寸或相近尺寸，忽略了其在變尺寸復(fù)形方面的可行性。但是此類變尺寸微納米結(jié)構(gòu)在微流系統(tǒng)、生物檢測等方面同樣具有廣泛的應(yīng)用。因此，將空間

7、調(diào)制電場誘導(dǎo)聚合物流變成形技術(shù)擴展至變尺寸復(fù)形結(jié)構(gòu)，是亟待解決的問題之一。
　　為此，本文從強/弱調(diào)制概念出發(fā)，討論了空間調(diào)制電場誘導(dǎo)聚合物流變成形技術(shù)在變尺寸結(jié)構(gòu)復(fù)形方面的可行性，定義了三種細化的強/弱調(diào)制狀態(tài)，即欠調(diào)制、強調(diào)制和過調(diào)制，提出了區(qū)分三種調(diào)制狀態(tài)的判定準則，探索了不同工藝參數(shù)對強/弱調(diào)制區(qū)域的影響，并從實驗角度實現(xiàn)了變尺寸結(jié)構(gòu)復(fù)形。
　　5）基于空間調(diào)制電場誘導(dǎo)聚合物流變成形強/弱調(diào)制的規(guī)律，本文從應(yīng)用出發(fā)，