用于热机械纳米结构加工的高分子薄膜微尺度属性测量

摘要

随着微纳米技术和纳米科学的发展，特别是最近的二十年来，一批新型的热机械纳米结构加工工艺得到发展和应用，如纳米压印技术、基于扫描探针的热机械存储技术，蘸水笔技术及激光图形化技术等等。这也使得微纳尺度结构的加工在分辨率、精度、可靠性、速率和覆盖精确度及加工成本等方面得到飞速的提高。而在纳米结构加工中高聚物薄膜(0．01～100微米)也得到越来越广泛的应用，且作用也越来越重要，其力学和热学特性对器件的加工质量、稳定性和可靠性有着决定性的影响。本论文对厚度为270纳米的950 A4型聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜的力学和热学特性进行了测量和研究。
　　 研究了高聚物薄膜的玻璃化温度随厚度的变化规律、薄膜—空气界面和薄膜—基底界面对玻璃化温度的影响和机理及空间构型对高聚物材料的玻璃化温度的影响规律。利用核磁共振方法(NMR)对PMMA的构型进行了测定，结果表明所用的PMMA的构型以间同立构(rr)为主，使用差示扫描量热法(DSC)测得PMMA的β转变温度为70℃，玻璃化转变温度为126℃，粘流温度为161℃。使用热重分析法(TGA)对PMMA的分解温度进行了测量，测得PMMA的分解温度为260℃，并研究了PMMA的热降解机理。
　　 使用纳米压痕法对PMMA薄膜的弹性模量进行了测试，使用了基于VEP模型的组合方法，避免了堆积现象所导致的接触面积和弹性模量被高估。采用了两次保载过程，有效的消除了高聚物的粘性对测试结果的影响。研究了基底效应的影响，并运用Jager模型引入与深度相关的影响因子来估算基底的影响，测得PMMA薄膜在室温下的弹性模量为6．50Pa，比块体值约高25％。
　　 调研了薄膜热导率的理论分析和实验测试方法，结合本论文的研究需要选用了飞秒激光瞬态热反射法对PMMA薄膜的热导率进行了测试，测得270纳米厚的PMMA薄膜在室温下的热导率为0．36W/m·K，表明用旋涂方法制备在Si基底上的PMMA薄膜热导率比块体高。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 热机械纳米结构加工工艺

1.1.1 基于SPM的超高密度信息存储技术

1.1.2 纳米压印技术

1.1.3 薄膜介质的选择

1.2 高聚物薄膜属性的微尺度特性

1.2.1 玻璃化温度的微尺度特性

1.2.2 弹性模量的微尺度特性

1.2.3 热导率的微尺度特性

1.3 本论文的研究意义及结构

1.3.1 本论文的研究目标和意义

1.3.2 本论文的构成

第二章 PMMA薄膜特征温度点的测量

2.1 PMMA薄膜的制备

2.2 PMMA构型的测量

2.2.1 高聚物的构型

2.2.2 PMMA构型的测定

2.3 差示扫描量热法

2.4 PMMA玻璃化温度和粘流温度的测量

2.5 分解温度的测量

2.5.1 热重分析法的原理

2.5.2 热重分析的影响因素

2.5.3 PMMA分解温度的实验测量

2.5.4 PMMA的热降解机理

2.6 本章小结

第三章 PMMA薄膜力学特性的测量

3.1 纳米压痕技术的测量原理

3.1.1 Oliver-Pharr方法

3.1.2 Hainsworth方法

3.1.3 Wei-Lin方法

3.2 纳米压痕技术中基底效应的分析

3.2.1 Gao模型

3.2.2 Yu模型

3.2.3 Jager模型

3.3 PMMA薄膜的纳米压痕实验研究

3.3.1 纳米压痕的加载方式

3.3.2 实验结果及分析

3.4 本章小结

第四章 PMMA薄膜热导率的测量

4.1 薄膜热导率的实验测试方法

4.1.1 3ω法

4.1.2 闪光法

4.1.3 扫描热显微镜法

4.1.4 飞秒瞬态热反射法

4.2 PMMA薄膜的热导率测试

4.2.1 热传导方程

4.2.2 测试结果及分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.1.1 本论文的工作及结论

5.1.2 本论文的创新点

5.2 展望

参考文献

致谢

在读硕士期间发表的论文