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原子转移自由基聚合(ATRP)在多功能硅(100)表面改性材料制备中的应用

彭锦雯  
【摘要】: 高分子用于对硅片表面进行功能化修饰与改性是一个巨大的资源,充分利用有机化学、会属有机化学和高分子化学的键合手段,一方面保持硅片基体与修饰分子的良好接触与稳定接合,另一方面可表现出比Si-H表面更稳定更丰富的光电物理化学行为,为材料学、微电子学、化学、生物化学、生命科学和纳米技术等前沿科学研究领域,开辟出更加广阔的应用前景。基于这样的背景,利用原子转移自由基聚合(ATRP)手段提供了一种合成结构可控、且易于功能化共聚物的有效方法,通过分子设计制得多种具有不同拓扑结构(线型,梳状,刷状,星型,树枝状,超支化大分子等),合成分子量、大分子结构可控的具有一定表面物理与化学特性的均聚物与共聚物,将聚合物所具有的优点:电绝缘性、亲水性或憎水性、生物相容性、具有优良的性能价格比等全部发挥出来与硅材料的半导体特性结合起来,以共价键的方式,直接从硅片表面长出聚合刷,从而实现对硅片表面进行直接有效的改性与修饰。 具体研究内容摘要如下: 1.硅片表面引发剂单分子层的植入,以UV辐照、有机合成反应和表面引发的ATRP为手段,在Si-H表面以共价键键合的方式,制备了多种具备表面引发功能的硅表面:Si-VBC、Si-TVPBA-R_3Br、Si-VBC-g-P(HEMA)-R_3Br和Si-TVPBA-g-P(HEMA)-R_3Br等,实验结果证明,这些植入引发剂的表面均有良好引发ATRP过程的能力。 2.选择进行ATRP的单体分别为:苯乙烯、2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA),聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)和2,2,3,3,4,4,4-七氟代丁基丙烯酸酯(HFBA),利用ATRP方法提供了一种合成结构可控、且易于功能化共聚物的有效方法,通过分子设计制得多种具有不同拓扑结构的以共价键键合于硅片表面的聚合物及嵌段共聚物。其结构为两亲性硅片表面:Si-VBC-g-P(HEMA)-g-PS-b-P(PEGMA)、Si-VBC-g-P(HEMA)-g-P(HFBA)-b-P(PEGMA)、Si-VBC-g-P(PEGMA)-b-P(HEMA)-g-P(HFBA)和Si-VBC-g-P(HFBA)-b-P(HEMA)-g-P(PEGMA)表面;星型的亲水性硅片表面:Si-TVPBA-g-P(PEGMA)和Si-TVPBA-g-P(HEMA)-g-P(PEGMA)表面。 3.硅片表面进行ATRP改性过程各阶段的物性研究和动力学研究,其中包括接枝聚合物与共聚物的厚度、静态水接触角和表面密度;单体HEMA、PS、PEGMA和HFBA进行ATRP时厚度增长与反应时间的关系,表面引发这些单体发生ATRP使硅片表面聚合物的厚度增加与聚合反应的时间呈线性相关,表明ATRP接枝聚合物的链增长是在“活性”和“可控”条件下进行的。 4.对硅片表面改性各阶段的物性与化学结构进行了表征,使用椭偏仪测定膜厚,光学接触角仪测定静态水接触角,全反射傅立叶转换红外(ATR-FTIR)和光电子能谱(XPS)对化学结构进行表征,原子力显微镜(AFM)观测表面形貌。 5.考察了两亲性的树状嵌段共聚物表面Si-VBC-g-P(PEGMA)-b-P(HEMA)-g-P(HFBA)和Si-VBC-g-P(HFBA)-b-P(HEMA)-g-P(PEGMA)表面显示的溶剂依赖性,AFM图像不仅揭示了硅片改性各步中硅片形貌的变化规律,而且显示了两种结构两亲性树状嵌段共聚物表面随不同溶剂作用时形貌的变化,当用表层嵌段的不良溶剂处理表面时,观察到了表面重排现象和钉状微束的形成,以实验事实为依据,提出了钉状微束形成的半埋式模型,并进一步用XPS测定了钉状微束形成前后,硅片表面化学组成的变化,初步证实了钉状微束半埋式模型的合理性。


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