EP3475333A1 - Film de copolymere a blocs nanostructure comprenant un bloc biodegradable de type polyester - Google Patents
Film de copolymere a blocs nanostructure comprenant un bloc biodegradable de type polyesterInfo
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- EP3475333A1 EP3475333A1 EP17737339.6A EP17737339A EP3475333A1 EP 3475333 A1 EP3475333 A1 EP 3475333A1 EP 17737339 A EP17737339 A EP 17737339A EP 3475333 A1 EP3475333 A1 EP 3475333A1
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- G03F7/0757—Macromolecular compounds containing Si-O, Si-C or Si-N bonds
Definitions
- the present invention relates to the field of nanostructured block copolymers having nano-domains oriented in a particular direction.
- the invention relates to a block copolymer film comprising at least one biodegradable block, polyester type, able to be easily removed after structuring, and having a high phase segregation, with a low Lo period preferably less than 20 nm.
- noted Lo means the minimum distance separating two neighboring domains of the same chemical composition, separated by a different chemical composition area.
- block copolymers it is possible to structure the arrangement of the constituent blocks of the copolymers, by phase segregation between the blocks thus forming nano-domains, at scales of less than 50 nm. Because of this ability to nanostructure, the use of block copolymers in the fields of electronics or optoelectronics is now well known.
- the most studied block copolymer films so far are the films based on polystyrene-i-poly (methyl methacrylate), hereinafter denoted PS-> PMMA.
- PS-> PMMA polystyrene-i-poly (methyl methacrylate)
- a block of the copolymer must be selectively removed to create a porous film of the residual block, the patterns of which may be subsequently transferred by etching to an underlying layer.
- PS-b-PMMA film PMMA (Poly (methyl methacrylate)
- PS Polystyrene
- the nano-domains must be oriented perpendicular to the surface of the underlying layer.
- Such structuring of the domains requires particular conditions such as the preparation of the surface of the underlying layer, but also the composition of the block copolymer.
- An important factor is the phase segregation factor, also referred to as the Flory-Huggins interaction parameter and denoted by " ⁇ ".
- This parameter makes it possible to control the size of the nano domains. More particularly, it defines the tendency of blocks of the block copolymer to separate into nano-domains.
- the product ⁇ , the Flory-Huggins parameter ⁇ and the degree of polymerization N give an indication of the compatibility of two blocks and whether they can separate at a given temperature. For example, a diblock copolymer of strictly symmetrical composition separates into micro domains if the product ⁇ is greater than 10.49. If this product ⁇ is less than 10.49, the blocks mix and the phase separation is not observed at the observation temperature.
- PLA poly lactic acid
- PCL polycaprolactone
- PS polystyrene
- PDMS polydimethylsiloxane
- PTMSS polytrimethylsilylstyrene
- copolymers with biodegradable polyesters can be used as a drug encapsulant or as biodegradable implants, particularly in orthopedics, to suppress the interventions that were necessary in the past to remove metal parts such as pins for example.
- Such polymers can also be used in coating and plastic formulations.
- the Applicant has therefore been interested in these polymers for incorporating them into block copolymers, because of their biodegradability, so that they can be easily removed after nano-structuring and allow the creation of a residual porous film intended to serve as a mask. nanolithography.
- Polycaprolactones and polybutyrolactones also have good physicochemical properties and good thermal stability up to temperatures of at least 200-250 ° C.
- Organo-catalysts have been developed to allow the ring-opening polymerization of lactones, in particular ⁇ -caprolactone denoted “ ⁇ -CL” in the following description.
- AMS methanesulfonic acid
- AMS in combination with a protic initiator of alcohol type, AMS is capable of promoting the controlled polymerization of the cyclic monomer ⁇ -caprolactone.
- the protic initiator allows fine control of average molar masses as well as chain ends.
- PBL polybutyrolactone
- PHB poly-3-hydroxybutyrate
- PBL polybutyrolactone
- PHB poly-3-hydroxybutyrate
- trifluoromethanesulfonic acid also called triflic acid and noted HOTf
- triflic acid is an organic catalyst of choice for carrying out the controlled polymerization of ⁇ -butyrolactone (BBL) in the presence alcohol.
- This catalyst, HOTf is to date the only organic catalyst allowing the block copolymerization of BBL with other monomers of lactone or carbonate type.
- the PBL polymer is bio-resourced because it is made from raw materials of renewable origin, it is biodegradable and biocompatible. Thanks to these properties, such a polymer finds applications in the fields of medical and packaging in particular.
- Block copolymers combining isotactic PHB with polyesters such as PLA, PCL or PHV show a phase separation induced by the high crystallinity of these polymers.
- DSC Differential Scanning Calorimetry
- ATRP Atom Transfer Radical Polymerization
- the DSC characterization of this copolymer shows two distinct values of glass transition temperature, T g , at values close to those of the homopolymers, which is consistent with phase segregation.
- T g glass transition temperature
- T m melting temperature
- analysis by atomic force microscopy (AFM) of such a film after a period of annealing of 24 h at 120 ° C., shows the obtaining of a nano-structuring of lamellar morphology, with a period 40 nm.
- the Applicant therefore sought a solution for synthesizing a block copolymer film comprising at least one biodegradable block, of the Polyester type, which is nanostructured with a morphology and a controlled period, so as to be able to use it as a nanolithography mask.
- the block copolymer film must have a period of less than or equal to 20 nm.
- the invention therefore aims to remedy at least one of the disadvantages of the prior art.
- the invention aims in particular to provide a nano-structured nano-structured block copolymer film, said copolymer comprising at least a first polyester-type biodegradable block and being capable of nano-structuring into nanodomains with a controlled morphology and with a controlled Lo period and less than 20 nm.
- a nano-structured block copolymer film in nano-domains said copolymer comprising at least a first polyester-type biodegradable block, and a second block of a chemical nature different from the first one.
- said block copolymer being characterized in that the first block of polyester type is polybutyrolactone (PBL) and in that the second block is derived from a polymer carrying a hydoxy function on at least one end and acting as macro-initiator of the polymerization of ⁇ -butyrolactone (BBL) in polybutyrolactone (PBL),
- PBL polybutyrolactone
- block copolymer is a diblock or triblock copolymer
- the number-average molecular mass of each block of PBL is between 1,000 and 20,000 g / mol; the number-average molecular weight of the block copolymer is between 2,000 and 30,000 g / mol;
- the molar ratio of monomer ( ⁇ -BL) to macro-initiator is between 60/1 and 160/1;
- the second macro-initiator block is derived from a mono- or polyhydroxylated oligomer or polymer chosen from: (alkoxy) polyalkylene glycols, such as (methoxy) polyethylene glycol (MPEG / PEG), polypropylene glycol (PPG) and polytetramethylene glycol (PTMG); poly (alkyl) alkylene adipate diols such as poly (2-methyl-1,3-propylene adipate) diol (PMPA) and poly (1,4-butylene adipate) diol (PBA); polysiloxanes, such as mono or dihydroxylated polydimethylsiloxane (PDMS), or optionally hydrogenated mono- or dihydroxylated polydienes, such as ⁇ , ⁇ -dihydroxylated polybutadiene or ⁇ , ⁇ -dihydroxylated polyisoprene, preferably hydroxytelechelic polybutadiene; hydrogenated or not; or mono- or poly
- the term "monomer” as used refers to a molecule that can undergo polymerization.
- polymerization refers to the process of converting a monomer or mixture of monomers into a polymer.
- oligomer refers to a polymer compound of small size, comprising between 2 and 30 monomers, that is to say, whose degree of polymerization is between 2 and 30.
- copolymer block or “block” is meant a polymer comprising several monomer units of several types, or of the same type.
- block copolymer is meant a polymer comprising at least two blocks as defined above, the two blocks being different from one another and having a phase segregation parameter such that they are not miscible and separate into nano-domains.
- miscibility refers to the ability of two compounds to mix completely to form a homogeneous phase.
- the block copolymer according to the invention advantageously comprises a first biodegradable block, polyester type, capable of being easily removed after nanostructuration of the copolymer, so as to produce a porous film for use as a nanolithography mask.
- the block copolymer comprises at least one other block, different from the first, and which is incompatible with the first block, that is to say that they can not mix and separate into nano-domains.
- the first block of polyester type is polybutyrolactone, noted PBL in the following description.
- the second block for its part, is formed from an oligomer or a polymer whose chemical nature is incompatible with polybutyrolactone and comprising an alcohol function on at least one end.
- This second functionalized alcohol polymer makes it possible to serve as a macro-initiator for the polymerization of ⁇ -butyrolactone (BBL) in the presence of triflic acid (HOTf) as a catalyst.
- HATf triflic acid
- it comprises only a hydroxyl function on one end, it makes it possible to produce a diblock copolymer with the PBL.
- This second polymer forming the second block of the block copolymer and acting as macro-initiator of ⁇ -butyrolactone (BBL) may advantageously be chosen from an oligomer or a mono- or polyhydroxylated polymer, chosen in particular from: alkoxy) polyalkylene glycols, such as (methoxy) polyethylene glycol (MPEG / PEG), polypropylene glycol (PPG) and polytetramethylene glycol (PTMG); poly (alkyl) alkylene adipate diols such as poly (2-methyl-1,3-propylene adipate) diol (PMPA) and poly (1,4-butylene adipate) diol (PBA); polysiloxanes, such as mono or di-hydroxylated polydimethyl siloxane (PDMS); optionally hydrogenated,
- alkoxy polyalkylene glycols such as (methoxy) polyethylene glycol (MPEG / PEG), polypropylene glycol
- the macro-initiator may be a co-oligomer or a vinyl copolymer of the family of acrylic, methacrylic, styrenic or diene polymers, which results from a copolymerization between acrylic monomers, methacrylic, styrenic or dienes and functional monomers having a hydroxyl group, such as hydroxylated acrylic or methacrylic monomers, such as, for example, 4-hydroxybutyl acrylate, hydroxyethyl acrylate and hydroxyethyl methacrylate.
- This polymerization can be carried out according to a conventional free radical process, a controlled radical process or an anionic process.
- the macro-initiator may be a vinyl copolymer obtained by controlled radical polymerization in which the radical initiator and / or the control agent carry at least one hydroxyl or thiol function.
- the macro-initiator is advantageously chosen from hydroxylated polyolefins, that is to say any polymer derived from olefins bearing at least one hydroxyl function or telechelic hydroxy.
- the polydienes are referred to and among these, polybutadienes are preferred, and especially telechelic hydroxy polybutadiene.
- the polybutadiene hydroxy telechelic is a polymer marketed by the company Cray Valley, under the commercial reference Krasol ® and more particularly Krasol LBH-P3000 ® and Krasol HLBH-P3000 ® .
- the Krasol LBH-P3000 ® is a polybutadiene, prepared by anionic polymerization, with a number average molecular weight M n of the order of 3200 g / mol.
- the Krasol HLBH-P3000 ® is a hydrogenated polybutadiene having an average molecular weight M n is in the range of 3100 g / mol.
- the number-average molecular weight of each block of PBL is preferably between 1000 and 20000 g / mol.
- the number-average molecular mass of the block copolymer obtained is between 2,000 and 30,000 g / mol.
- the volume fraction of polyester, PBL, relative to the total volume of the block copolymer can vary between 25% and 75%. This volume fraction advantageously makes it possible to control the morphology of the nano-domains formed.
- the volume fraction of PBL in the copolymer is between 45 and 55%, the copolymer has a lamellar morphology, and when the volume fraction of PBL in the copolymer is between 65 and 75%, the copolymer has a cylindrical morphology. .
- the volume fraction of each block of the block copolymer is measured as described below. Within a block copolymer it is possible to measure, by proton NMR, the molar fraction of each polymer throughout the copolymer, then to go back to the mass fraction using the molar mass of each constituent polymer of a block. The volume fraction of each block can then be determined from the mass fraction of each block and the density of the polymer forming the block. Take the example of a PBL-b-Krasol®.
- the copolymer comprises 50% by weight of BBL monomer units, 50% by weight of macro-initiator units.
- the method for synthesizing such a block copolymer film comprises the steps of mixing the macro-initiator, for example a hydroxylated polyolefin macro-initiator, and more particularly a hydroxylated or dihydroxylated polybutadiene, with of ⁇ -butyrolactone (BBL), in a solvent, in the presence of trifluoromethanesulfonic acid as a catalyst for the polymerization reaction of ⁇ -butyrolactone, for the selective production, in one step, of a copolymer of blocks.
- the solvent is advantageously chosen from toluene, ethylbenzene or xylene. Toluene is however preferred to the other two solvents.
- the catalyst is then removed and the solution of the block copolymer obtained is applied in the form of a film on a surface to be etched, the surface energy of which has been neutralized beforehand.
- the solvent of the solution is evaporated and the film is annealed at a predetermined temperature to ensure nano-structuring of the copolymer in nano-domains perpendicular to the surface to be etched.
- the desired structuring for example the generation of nano-domains perpendicular to the surface, nevertheless requires the preparation of the surface on which the copolymer solution is deposited in order to control surface energy.
- the preferred surfaces include surfaces made of silicon, silicon having a native or thermal oxide layer, germanium, platinum, tungsten, gold, titanium nitrides, graphenes, BARC (bottom anti-reflective coating) or any other anti-reflective layer used in lithography.
- a solution of the block copolymer according to the invention is deposited and the solvent is evaporated according to known techniques of the skilled person such as for example the technique known as “spin coating”, “Doctor Blade””knifeSystem”,”slot die System” but any other technique can be used such as a dry deposit, that is to say to say without passing by a preliminary dissolution.
- a heat treatment is carried out which allows the block copolymer to organize properly, that is to say to obtain in particular a phase separation between the nano-domains whose size is ⁇ 10 nm. , with a controlled morphology and with a period ⁇ 20nm, an orientation of the domains, perpendicular to the surface to be engraved, a reduction in the number of defects.
- the temperature T of this heat treatment is such that it is less than 290 ° C, preferably less than 180 ° C, and greater than the highest glass transition temperature of the blocks constituting the copolymer. It is carried out under a solvent or a thermal atmosphere or by a combination of these two methods.
- This heat treatment, or annealing allows the block copolymer to organize properly, that is to say to obtain in particular a phase separation between the nano-domains, a controlled morphology of the nano-domains, a preferential orientation nano-domains and a reduction in the number of defects.
- the resulting block copolymer film has an ordered patterning for a given total degree of polymerization.
- the copolymer obtained is a diblock copolymer of the PBL-b-PBT type or triblocks of the ⁇ -> - ⁇ ->->-type.
- the synthesis of the block copolymer according to the invention is preferably carried out at a temperature ranging from 20 to 120 ° C. and more preferably between 30 and 60 ° C., in particular when the solvent is toluene.
- the macro-initiator is a hydroxytelechelic polybutadiene, hydrogenated or not, it is indeed possible to obtain, at a temperature of the order of 30 ° C, block copolymers of PBL-i-Krasol®-i - PBL or PBL- ⁇ -Krasol® Hb-PBL having a number average molecular weight M n of up to 20,000 g / mol in a few hours and with a yield greater than or equal to 85% after purification.
- the molar ratio initiator / catalyst (HOTf) is preferably between 1/1 and 1/2.
- the reagents used in this process are preferably dried before being used, in particular by vacuum treatment, distillation or drying with an inert desiccant.
- the cylindrical or lamellar morphology of the nano-domains thus formed depends on the molar ratio of monomer (BBL) on macro-initiator in the initial mixture, but also on the nature of the macro-initiator forming the second block of the block copolymer and of its degree of polymerization.
- the molar ratio of BBL monomer to macro-initiator is preferably between 60/1 and 160/1.
- the molar ratio of monomer ( ⁇ -BL) to macro-initiator is preferably between 0.9N and 1.1N and for obtaining a cylindrical morphology, the monomer ( ⁇ -BL) molar ratio on macro-initiator is preferably between 0.25N and 0.35N or between 1 .8N and 2.2N, N being the degree of polymerization of the oligomer or polymer forming the macro-initiator.
- the molar ratio of monomer ( ⁇ -BL) to macro-initiator is between 60/1 and 90/1 and for obtaining a cylindrical morphology, the molar ratio of monomer ( ⁇ -BL) to macro-initiator is advantageously between 100/1 and 160/1.
- the first block of polybutyrolactone (PBL), which is biodegradable, is advantageously removed to form a nanolithography mask comprising a porous pattern perpendicular to the surface to be etched and having a Lo ⁇ 20 nm period.
- a block copolymer according to the invention thus makes it possible to obtain an assembly of the blocks perpendicularly to the surface on which it is deposited, with a significant phase segregation, making it possible to obtain nano-domains of small sizes, of the order of the nanometer to a few nanometers and controlled morphology, and a period less than or equal to 20nm.
- Such a block copolymer therefore allows better control of the lithography process whose resolution is high and compatible with the current requirements in terms of component dimensions.
- the toluene is dried using a MBraun SPS-800 solvent purifier.
- Methanesulfonic acid (AMS) and trifluoromethanesulfonic acid (HTOf) were used without further purification.
- Diisopropyl ethylamine (DIEA) was dried and distilled on Cah and stored on potassium hydroxide (KOH).
- the Schlenk tubes were dried with a vacuum heat gun in order to remove any trace of moisture.
- DSC differential scanning calorimetry
- the calorimetry analyzes were carried out between -80 and 130 ° C. and the temperature values were recorded during the second temperature rise (at a rate of 10 ° C./min).
- SAXS Small angle X-ray scattering analysis
- This analysis technique consists of diffusing a monochromatic radiation through the sample to be analyzed.
- the scattered intensity is collected as a function of the scattering angle passing through the sample, the scattering angle being very close to the direct beam.
- the scattered photons provide information on the fluctuation of electron densities in the heterogeneous material.
- SAXS analysis a Nanostar SAXS (Bruker) or BM-26B DUBBLE station at the European Synchrotron Radiation Facility (ESFR) was used.
- PCL polycaprolactone
- PBL polybutyrolactone
- HETf trifluoromethanesulfonic acid
- AMS lower methanesulfonic acid
- the ratio of monomer / macro-initiator in the initial mixture, for the synthesis of each block copolymer differs from one example to another, so as to diversify the volume fractions between the blocks of different nature.
- the ability of these copolymers to segregate and nanostructure was first studied by DSC and then by SAXS and / or microscopic analysis was also performed. The results of the analyzes are summarized in Table I below.
- Example 1 (Comparative): Preparation of triblock copolymer ⁇ ! ⁇ ( ⁇ -caprolactone) 43-block-Krasol® LBH-P3000-block-poly ( ⁇ -caprolactone) 43
- the macro-initiator (Krasol® LBH-P3000, 2eq., 1 .5 g) and I ' ⁇ -CL (80 eq., 4.1 1 g) are weighed in a glove box and introduced into a dry schlenk .
- the reaction medium is stirred under argon at 30 ° C. for 2 h 30 min.
- the polymerization reaction of the ⁇ -CL monomer with the macro-initiator is as follows:
- Example 2 (Comparative) Preparation of a triblock copolymer poly (caprolactone) 80-block-Krasol LBH-P3000-block-poly ( ⁇ -caprolactone) [0076]
- the macro-initiator (Krasol LBH-P3000, 2eq., 1 5 g) and ⁇ -CL (160 eq., 8.22 g) are weighed in a glove box and introduced into a dry slurry.
- the schlenk is placed under a controlled atmosphere of argon, then the solvent is successively added ( 18 mL of toluene, [?
- a triblock copolymer of PCLso-b-Krasol-i -PCLso with a conversion level of 99% and a yield greater than 90% is obtained.
- Example 3 Preparation of triblock copolymer of polviB-butyrolactonehs-block-Krasol LBH-P3000-block-polv (B-butyrolactone) 75
- the macro-initiator (Krasol LBH-P3000, 2eq., 1 .27 g) and the ⁇ -BL (160 eq., 5.25 g) are weighed in a glove box and introduced into a dry schlenk.
- the reaction medium is stirred under argon at 30 ° C. for 3 h 30 min.
- the polymerization reaction of the monomer ⁇ -BL with the macro-initiator is as follows:
- Example 4 Preparation of a triblock copolymer polv (B-butyrolactone) 37-block-Krasol LBH-P3000-block-polv (B-butyrolactone) 37
- the macro-initiator (Krasol LBH-P3000, 2eq., 2.35 g) and the ⁇ -BL (80 eq., 4.60 g) are weighed in a glove box and introduced into a dry schlenk.
- the reaction medium is stirred under argon at 30 ° C. for 2 h 30 min.
- DIEA diisopropylethylamine
- Example 5 Preparation of a triblock copolymer polv (B-butyrolactone) 39-block-Krasol H LBH-P3000-block-polv (B-butyrolactone) 39
- the macro-initiator (Krasol HLBH-P3000, 2 eq., 0.77 g) and ⁇ -BL (80 eq., 1.28 g) are removed in a glove box and introduced into a dry schlenk.
- the reaction medium is stirred under argon at 30 ° C. for 1 h 15 min.
- DIEA diisopropylethylamine
- the polymerization reaction of the monomer ⁇ -CL with the macro-initiator is as follows:
- a triblock copolymer of PBL39-b-Krasol H-i -PBL39 is obtained with a conversion of 99% and a yield greater than 90%.
- Example 6 Preparation of a triblock copolymer polv (B-butyrolactone) 54-block-Krasol H LBH-P3000-block-polv (B-butyrolactone) 54
- the macro-initiator (Krasol HLBH-P3000, 2 eq., 0.5 g) and ⁇ -BL (120 eq., 1.71 g) are collected in a glove box and introduced into a dry schlenk.
- the reaction medium is stirred under argon at 30 ° C. for 3 h 30 min.
- an excess of diisopropylethylamine (DIEA) is then added to neutralize the catalyst.
- the solvent is then evaporated under vacuum.
- the polymer obtained is then dissolved in the minimum of dichloromethane, then precipitated by addition in cold methanol, filtered and dried under vacuum.
- a triblock copolymer of PBL54- ⁇ -krasol ⁇ ->- ⁇ 54 is obtained with a conversion of 99% and a yield greater than 90%.
- the reaction medium is stirred under argon at 30 ° C. for 6h30.
- DIEA diisopropylethylamine
- the SAXS analyzes, carried out on a Nanostar SAXS (Bruker) apparatus or at the BM-26B station of the DUBBLE line at the European Synchrotron Radiation Facility (ESFR), shed more light on the different behavior of block copolymers. depending on whether they incorporate PBL or PCL blocks.
- ESFR European Synchrotron Radiation Facility
- PCL-based block copolymers there is no nano-structuring of well-defined morphology, but simply phase separation due to PCL crystallinity and amorphous PCL / Krasol phases are miscible.
- PBL nanostructuring with a well-defined morphology is observed, whether with Krasol, hydrogenated Krasol or PDMS.
- the nano-structuring morphology depends on the volume fractions of PBL in the block copolymer, which are directly related to the monomer molar ratio of BBL on the oligomer or macro-initiator polymer. In all cases very low values of Lo period were measured: between 10.5 and 13.7nm.
- Lo period was measured: between 10.5 and 13.7nm.
- the different morphologies observed, as a function of the molar fractions of PBL and Krasol® or PDMS, and the measured period Lo are given in Table I below, in which are gathered all the results obtained on the different samples synthesized according to in Examples 1-7.
- Triblock copolymers PBL-6-Krasol-i-PBL, or PBL-6-Krasol H-i-PBL giving rise to nano-structuring were then selected for analysis by microscopy.
- a copolymer solution is deposited as a thin film on a surface, then the solvent is evaporated and the film is annealed at a temperature of 120 ° C for 24 hours.
- the deposited films have a thickness of the order of 30 nm.
- the results of microscopy analysis confirm the nano-structuring, with cylindrical or lamellar nano-domains perpendicular to the surface and having an average Lo period of 13 nm.
- the block copolymers incorporating a Polybutyrolactone polyester block are therefore capable of segregating, giving rise to a scaling structure. nanometric, whereas no nano-structuring is observed for triblock copolymers equivalent in size, based on polycaprolactone.
- copolymers obtained based on polybutyrolactone are capable of segregating for low molecular weights, typically less than 20000 g / mol, allowing access to various morphologies depending on their composition with very low structuring periods. value, less than 20 nm.
- the copolymer according to the invention differs strongly from conventional PS-b-PMMA block copolymers which do not make it possible to obtain periods lower than 20 nm.
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Abstract
L'invention concerne un film de copolymère à blocs nano-structuré en nano- domaines, ledit copolymère comprenant au moins un premier bloc biodégradable de type polyester et un deuxième bloc de nature chimique différente du premier bloc, ledit copolymère à blocs étant caractérisé en ce que le premier bloc de type polyester est du polybutyrolactone (PBL) et en ce que le deuxième bloc est issu d'un polymère porteur d'une fonction hydoxy sur au moins une extrémité et agissant comme macro- amorceur de la polymérisation de β-butyrolactone (BBL) en polybutyrolactone (PBL).
Description
FILM DE COPOLYMERE A BLOCS NANOSTRUCTURE COMPRENANT UN BLOC BIODEGRADABLE DE TYPE POLYESTER
[Domaine de l'invention!
[0001 ] La présente invention concerne le domaine des copolymères à blocs nanostructurés présentant des nano-domaines orientés selon une direction particulière.
[0002] Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un film de copolymère à blocs comprenant au moins un bloc biodégradable, de type polyester, apte à être facilement éliminé après structuration, et présentant une ségrégation de phase élevée, avec une période Lo faible de préférence inférieure à 20nm.
[0003] Par période, notée Lo dans la suite de la description, on entend la distance minimale séparant deux domaines voisins de même composition chimique, séparés par un domaine de composition chimique différente.
[Art antérieur] [0004] Le développement des nanotechnologies a permis de miniaturiser constamment les produits du domaine de la microélectronique et les systèmes microélectromécaniques (MEMS) notamment. Aujourd'hui, les techniques de lithographie classiques ne permettent plus de répondre à ces besoins constants de miniaturisation, car elles ne permettent pas de réaliser des structures avec des dimensions inférieures à 60nm.
[0005] Il a donc fallu adapter les techniques de lithographie et créer des masques de gravure qui permettent de créer des motifs de plus en plus petits avec une grande résolution. Avec les copolymères à blocs il est possible de structurer l'arrangement des blocs constitutifs des copolymères, par ségrégation de phase entre les blocs formant ainsi des nano-domaines, à des échelles inférieures à 50nm. Du fait de cette capacité à se nano-structurer, l'utilisation des copolymères à blocs dans les domaines de l'électronique ou de l'optoélectronique est maintenant bien connue.
[0006] Parmi les masques de nano-lithographie, les films de copolymères à blocs les plus étudiés jusqu'à présent sont les films à base de Polystyrène-i -Poly(nnéthacrylate de méthyle), noté ci-après PS-£>-PMMA. Pour pouvoir utiliser un tel film de copolymère à blocs comme masque de gravure, un bloc du copolymère doit être sélectivement retiré pour créer un film poreux du bloc résiduel, dont les motifs peuvent être
ultérieurement transférés par gravure à une couche sous-jacente. Concernant le film de PS-b-PMMA, le PMMA (Poly(méthacrylate de méthyle)), est usuellement retiré de manière sélective pour créer un masque de PS (Polystyrène) résiduel. Pour créer de tels masques, les nano-domaines doivent être orientés perpendiculairement à la surface de la couche sous-jacente. Une telle structuration des domaines nécessite des conditions particulières telles que la préparation de la surface de la couche sous- jacente, mais aussi la composition du copolymère à blocs. Un facteur important est le facteur de ségrégation de phase, encore dénommé paramètre d'interaction de Flory- Huggins et noté « χ ». Ce paramètre permet en effet de contrôler la taille des nano- domaines. Plus particulièrement, il définit la tendance des blocs du copolymère à blocs à se séparer en nano-domaines. Ainsi, le produit χΝ, du paramètre de Flory-Huggins χ et du degré de polymérisation N, donne une indication sur la compatibilité de deux blocs et s'ils peuvent se séparer à une température donnée. Par exemple, un copolymère diblocs de composition strictement symétrique se sépare en micro- domaines si le produit χΝ est supérieur à 10,49. Si ce produit χΝ est inférieur à 10,49, les blocs se mélangent et la séparation de phase n'est pas observée à la température d'observation.
[0007] Du fait des besoins constants de miniaturisation, on cherche généralement à accroître ce degré de séparation de phase, afin de réaliser des masques de nano- lithographie permettant d'obtenir de très grandes résolutions, typiquement inférieures à 20 nm, et de préférence inférieures à 15 nm, tout en conservant certaines propriétés de base du copolymère à blocs, telles qu'une bonne tenue en température du copolymère à blocs, ou une dépolymérisation du PMMA sous traitement UV lorsque le copolymère à blocs est un PS-b-PMMA, etc ..
[0008] Dans Macromolecules, 2008, 41 , 9948, Y. Zhao et al ont estimé le paramètre de Flory-Huggins pour un copolymère à blocs de PS-b-PMMA. Le paramètre de Flory- Huggins x obéit à la relation suivante : χ = a+b/T, où les valeurs a et b sont des valeurs spécifiques constantes dépendantes de la nature des blocs du copolymère et T est la température du traitement thermique appliqué au copolymère à blocs pour lui permettre de s'organiser, c'est-à-dire pour obtenir une séparation de phase des domaines, une orientation des domaines et une réduction du nombre de défauts. Plus particulièrement, les valeurs a et b représentent respectivement les contributions
entropique et enthalpique. Ainsi, pour un copolymère à blocs de PS-b-PMMA, le facteur de ségrégation de phase obéit à la relation suivante : χ = 0,0282 + 4,46/T.
[0009] Cette faible valeur du paramètre d'interaction de Flory-Huggins χ (0,04 à 298K) limite donc l'intérêt des copolymères à blocs à base de PS et PMMA, pour la réalisation de structures à très grandes résolutions.
[0010] Les recherches se sont donc orientées vers d'autres copolymères à blocs, notamment vers des copolymères à blocs associant des blocs de type polyester à des blocs de nature différente, de type polyéther ou polyoléfine par exemple. Le développement de méthodes de polymérisation sélectives, à caractère contrôlé et vivant, a permis la préparation de copolymères à blocs comportant des blocs de natures chimiques variées et une structure bien définie. Dans certains de ces polymères, les blocs présentent une faible compatibilité, ce qui résulte en une ségrégation conduisant à une nano-structuration. La nature chimique des blocs étudiés est très diverse et, ces dernières années, un intérêt accru a été porté à l'incorporation d'un bloc biodégradable, notamment de type polyester, pouvant être éliminé facilement après nano-structuration. Le PLA (polyacide lactique) et, à moindre degré le PCL (polycaprolactone) sont les polyesters les plus étudiés dans ce contexte, en particulier en combinaison avec des blocs de PS (polystyrène), de PDMS (polydiméthylsiloxane) ou encore de PTMSS (polytrimethylsilylstyrène). Ainsi, le document intitulé « Ordered Nanoporous Polymers from Polystyrene-Polylactide Block Copolymers », A.S. Zalusky et al, J.AM. CHEM. SOC. 2002, 124, 12761 -12773 et le document intitulé « Thin Film Self-Assembly of Poly(trimethylsilylstyrene-i -D,L-lactide) with Sub-10nm Domains », J.D. Cushen et al, Macromolecules, 2012, 45, 8722-8728, décrivent respectivement la préparation de copolymères diblocs de PS-b-PLA et de copolymères diblocs de PTMSS-i -PLA présentant des nano-domaines de tailles inférieures à 10 nm et dont la période est comprise entre 12 et 15 nm. Enfin le document intitulé « High χ-low N Block Polymers :How Far Can We Go ?", C. Sinturel et al, ACS Macro Letters, 2015, 4, 1044- 1050, décrit des copolymères à blocs associant du PLA avec du PS, du PDMS ou du PTMSS et met en évidence le fait qu'un copolymère à blocs de faible masse moléculaire moyenne en nombre, typiquement inférieure à 20000 g/mol, permet une structuration en nano-domaines de tailles inférieures à 10 nm et avec une période Lo inférieure à 20 nm.
[001 1 ] La demanderesse s'est plus particulièrement intéressé aux polyesters de type polylactones. La polymérisation par ouverture de cycle de lactones est étudiée depuis quelques années car les polymères qui en résultent présentent un intérêt industriel certain dans divers domaines du fait de leur biodégradabilité et biocompatibilité. Ainsi, les copolymères avec des polyesters biodégradables peuvent être utilisés comme encapsulant de médicaments ou comme implants biodégradables, en particulier en orthopédie, afin de supprimer les interventions qui étaient nécessaires dans le passé pour retirer les pièces métalliques telles que les broches par exemple. De tels polymères peuvent également être utilisés dans des formulations de revêtements et de plastiques. La demanderesse s'est donc intéressée à ces polymères pour les incorporer dans des copolymères à blocs, du fait de leur biodégradabilité, afin de pouvoir les éliminer facilement après nano-structuration et permettre la création d'un film poreux résiduel destiné à servir de masque de nanolithographie. Les polycaprolactones et les polybutyrolactones présentent en outre de bonnes propriétés physico-chimiques et une bonne stabilité thermique jusqu'à des températures d'au moins 200- 250°C.
[0012] Des organo-catalyseurs ont été mis au point pour permettre la polymérisation par ouverture de cycle de lactones, en particulier ε-caprolactone notée « ε-CL » dans la suite de la description. Les demandes de brevet WO2008104723 et WO200810472 ainsi que l'article intitulé « organo-catalyzed ROP of ε-caprolactone : methanesulfonic acid competes with trifluorométhanesulfonic acid » macromolecules 2008, Vol. 41 , p. 3782-3784, ont notamment démontré l'efficacité de l'acide méthanesulfonique, noté « AMS », en tant que catalyseur de la polymérisation de ε-caprolactone.
[0013] Les documents cités ci-dessus décrivent également qu'en association avec un amorceur protique, de type alcool, l'AMS est capable de promouvoir la polymérisation contrôlée du monomère cyclique d^-caprolactone. En particulier, l'amorceur protique permet un contrôle fin des masses molaires moyennes ainsi que des extrémités de chaîne.
[0014] Le PBL (polybutyrolactone) ou PHB (poly-3-hydroxybutyrate) est un polymère biodégradable, qui peut être préparé par polymérisation par ouverture de cycle de la β- butyrolactone (on parle dans ce cas de PBL) ou par voie microbienne à partir de l'acide 3-hydroxybutyrate (on parle alors de PHB). Le document intitulé « Sélective O-acyl
ring-opening of β-butyrolactone catalyzed by trifluoromethane sulfonic acid : application to the préparation of well-defined block copolymers », A. Couffin et al, Polym. Chem., 2014, 5, 161 -168, décrit plus particulièrement que l'acide trifluorométhane sulfonique, encore dénommé acide triflique et noté HOTf, est un catalyseur organique de choix pour réaliser la polymérisation contrôlée de la β- butyrolactone (BBL) en présence d'alcool. Ce catalyseur, l'HOTf, est à ce jour le seul catalyseur organique permettant la copolymérisation à blocs de la BBL avec d'autres monomères de type lactone ou carbonate. Le polymère de PBL est bio-ressourcé car il est issu de matières première d'origine renouvelable, il est biodégradable et biocompatible. Grâce à ces propriétés, un tel polymère trouve des applications dans les domaines du médical et de l'emballage notamment.
[0015] Afin de moduler ses propriétés et les ajuster aux différentes applications visées, des copolymères à blocs à base de ce polymère ont également été étudiés. Ainsi, le polybutyrolactone (PBL) ou le PHB (poly-3-hydroxybutyrate), selon la méthode de synthèse, a été incorporé dans des copolymères à blocs en combinaison avec d'autres blocs polymères. Le document intitulé « PLA-PHB-PLA Triblocks Copolymers :Synthesis by Sequential Addition and Investigation of Mechanical and Rheological Properties », D.C. Aluthge et al, Macromolecules, 2013, 46, 3965-3974, décrit la synthèse de copolymères triblocs de polybutyrolactone préparé par voie microbienne et de poly(acide lactique). Le document intitulé « Macromolecular Engineering of Lactones and Lactides. Controlled synthesis of (R,S) -β butyrolactone - b - ε caprolactone Block Copolymers by Anionic and Coordination Polymerization », P. Kurcok et al, Macromolecules, 1997, 30, 5591 -5595, décrit la synthèse de copolymères à blocs de PBL-b-PCL. Le document intitulé « Crystallinity-lnduced Biodégradation of Novel [(R,S)- -Butyrolactone]-b-pivalolactone Copolymers », M.Scandola et al, Macromolecules, 1997, 30, 7743-7748, décrit la synthèse de copolymères à blocs de PBL-b-PHV. Le document intitulé « Contact Angle, WAXS, and SAXS analysis of Poly( -hydroxybutyrate) and Poly(ethylene glycol) Block Copolymers Obtained via azotobacter vinelandii UWD », K.J. Towsend et al, Biotechnol. Prog, 2005, 21 , 959-964, décrit la préparation de copolymères à blocs de PHB-£>-PEG en associant le PHB avec un bloc polyéther PEG. Cependant, contrairement aux copolymères à blocs étudiés préalablement et incorporant du PLA ou du PCL, ces documents n'étudient pas, ou peu, la capacité de ces copolymères à se nano-structurer
car les applications visées dans ces documents ne concernent pas les masques destinés à la nano-lithographie mais plutôt le domaine médical, et en particulier l'encapsulation de médicaments.
[0016] Les copolymères à blocs combinant le PHB isotactique avec les polyesters tels que le PLA, le PCL ou le PHV, montrent une séparation de phases induite par la haute cristallinité de ces polymères. Cependant, les analyses en Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC) mettent en évidence une seule température de transition vitreuse Tg, intermédiaire entre les Tg des homopolymères correspondants. Ce résultat permet d'en déduire que les phases amorphes de ces copolymères à blocs sont miscibles. Les copolymères avec le PEG montrent un comportement semblable.
[0017] Seul, le document intitulé « Poly[(R)-3-hydroxybutyrate)]/Poly(styrene) Blends Compatibilized with the Relevant Block Copolymer », M.A. Abdelwahab et al, Journal of polym. Science part A, 2012, 50, 5151 -5160, décrivant la préparation de copolymères à blocs en associant le PHB avec des blocs de polyvinylaromatiques, plus particulièrement de PS (polystyrène), fait mention d'une ségrégation des phases du copolymère. Le copolymère décrit dans ce document est un copolymère de PS-b-PHB- b-PS (dont la masse molaire Mn = 8400 g/mol, et l'indice de polydispersité D = 1 ,58), préparé à partir d'un PHB téléchélique dibromé (Mn = 6000 g/mol, D = 1 ,58) utilisé comme macro-amorceur, pour réaliser la polymérisation radicalaire de type ATRP (acronyme anglo-saxon de « Atom Transfer Radical Polymerization ») du styrène, catalysée au cuivre. L'objectif de ce travail était la préparation du copolymère PS-b- PHB-b-PS dans le but de compatibiliser le mélange des deux homopolymères. La caractérisation par DSC de ce copolymère montre deux valeurs distinctes de température de transition vitreuse, Tg, à des valeurs proches de celles des homopolymères, ce qui est en accord avec une ségrégation des phases. L'absence de température de fusion, Tm, indique aussi que les deux blocs sont amorphes. Selon ce document, l'analyse par microscopie à force atomique (AFM) d'un tel film, après une période de recuit de 24h à 120°C, montre l'obtention d'une nano-structuration de morphologie lamellaire, avec une période de 40 nm.
[0018] Une telle période est cependant encore trop élevée pour pouvoir utiliser un tel film de copolymère à blocs en tant que masque de gravure par nano-lithographie, par auto-assemblage direct (DSA), pour la nouvelle génération d'applications en électronique organique. De plus, ce document ne met en évidence qu'une seule
morphologie lamellaire et ne fait pas mention d'une éventuelle possibilité de contrôler la morphologie des nano-domaines en fonction de la composition du copolymère à blocs.
[0019] La demanderesse a donc cherché une solution pour synthétiser un film de copolymère à blocs comprenant au moins un bloc biodégradable, de type Polyester, qui se nanostructure avec une morphologie et une période contrôlée, de manière à pouvoir l'utiliser en tant que masque de nanolithographie.
[0020] Plus particulièrement, le film de copolymère à blocs doit présenter une période inférieure ou égale à 20 nm. [Problème technique]
[0021 ] L'invention a donc pour but de remédier à au moins un des inconvénients de l'art antérieur. L'invention vise notamment à proposer un film de copolymère à blocs nano-structuré en nano-domaines, ledit copolymère comprenant au moins un premier bloc biodégradable de type polyester et étant capable de se nano-structurer en nanodomaines avec une morphologie contrôlée et avec une période Lo contrôlée et inférieure à 20 nm.
[Brève description de l'invention]
[0022] De manière surprenante, il a été découvert qu'un film de copolymère à blocs nano-structuré en nano-domaines, ledit copolymère comprenant au moins un premier bloc biodégradable de type polyester, et un deuxième bloc de nature chimique différente du premier bloc, ledit copolymère à blocs étant caractérisé en ce que le premier bloc de type polyester est du polybutyrolactone (PBL) et en ce que le deuxième bloc est issu d'un polymère porteur d'une fonction hydoxy sur au moins une extrémité et agissant comme macro-amorceur de la polymérisation de β-butyrolactone (BBL) en polybutyrolactone (PBL),
permet l'obtention de nano-domaines de morphologie parfaitement définie et contrôlée, avec une période Lo inférieure à 20 nm.
[0023] Selon d'autres caractéristiques optionnelles de ce film de copolymère à blocs :
- le copolymère à blocs est un copolymère diblocs ou triblocs ;
- la masse moléculaire moyenne en nombre de chaque bloc de PBL est comprise entre 1 000 et 20 000 g/mol;
- la masse moléculaire moyenne en nombre du copolymère à blocs est comprise entre 2 000 et 30 OOOg/mol ;
- le rapport molaire en monomère (β-BL) sur macro-amorceur est compris entre 60/1 et 160/1 ;
- le deuxième bloc formant macro-amorceur est issu d'un oligomère ou d'un polymère mono- ou poly-hydroxylé choisi parmi : les (alcoxy)polyalkylène glycols, tels que le (méthoxy)polyéthylène glycol (MPEG/PEG), le polypropylène glycol (PPG) et le polytétraméthylène glycol (PTMG) ;; les poly(alkyl)alkylène adipate diols tels que le poly(2-méthyl-1 ,3-propylène adipate) diol (PMPA) et le poly(1 ,4-butylène adipate) diol (PBA) ; les polysiloxanes, tels que le polydiméthylsiloxane (PDMS) mono ou di-hydroxylé, ou les polydiènes mono- ou dihydroxylés, éventuellement hydrogénés, tels que le polybutadiène α,γ- dihydroxylé ou le polyisoprène α,ω-dihydroxylé, de préférence le polybutadiène hydroxytéléchélique hydrogéné ou non ; ou les polyalkylènes mono- ou polyhydroxylés tels que le polyisobutylène mono- ou polyhydroxylé ; les polysaccharides modifiés ou non tels que l'amidon, la chitine, le chitosan, le dextran, et la cellulose; ou un co-oligomère ou un copolymère vinylique de la famille des polymères acryliques, méthacryliques, styréniques ou diéniques, qui résulte d'une copolymérisation entre des monomères acryliques, méthacryliques, styréniques ou diéniques et des monomères fonctionnels présentant un groupement hydroxyle, ou un copolymère vinylique obtenu par polymérisation radicalaire contrôlée dans laquelle l'amorceur radicalaire et/ou l'agent de contrôle portent au moins une fonction hydroxyle ou thiol ;
[0024] A partir de ce film, il est possible de réaliser un masque de nano-lithographie par retrait du premier bloc de polybutyrolactone (PBL) pour former un motif poreux perpendiculaire à la surface à graver et présentant une période U≤ 20 nm.
[0025] D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple illustratif et non limitatif.
[Description détaillée de l'invention!
[0026] Le terme « monomère » tel qu'utilisé se rapporte à une molécule qui peut subir une polymérisation.
[0027] Le terme « polymérisation » tel qu'utilisé se rapporte au procédé de transformation d'un monomère ou d'un mélange de monomères en un polymère.
[0028] Le terme « oligomère » tel qu'utilisé se rapporte à un composé polymère de petite taille, comprenant entre 2 et 30 monomères, c'est-à-dire dont le degré de polymérisation est compris entre 2 et 30.
[0029] On entend par « bloc copolymère » ou « bloc », un polymère regroupant plusieurs unités monomères de plusieurs types, ou d'un même type.
[0030] On entend par« copolymère à blocs », un polymère comprenant au moins deux blocs tels que définit ci-dessus, les deux blocs étant différents l'un de l'autre et présentant un paramètre de ségrégation de phase tel qu'ils ne sont pas miscibles et se séparent en nano-domaines.
[0031 ] Le terme « miscibilité » utilisé ci-dessus s'entend de la capacité de deux composés à se mélanger totalement pour former une phase homogène.
[0032] Le copolymère à blocs selon l'invention comprend avantageusement un premier bloc biodégradable, de type polyester, apte à être facilement éliminé après nanostructuration du copolymère, de manière à réaliser un film poreux destiné à servir de masque de nanolithographie. Le copolymère à blocs comprend au moins un autre bloc, différent du premier, et qui est incompatible avec le premier bloc, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas se mélanger et se séparent en nano-domaines.
[0033] De préférence, le premier bloc de type polyester est du polybutyrolactone, noté PBL dans la suite de la description. Le deuxième bloc, quant à lui, est formé à partir d'un oligomère ou d'un polymère dont la nature chimique est incompatible avec le polybutyrolactone et comprenant une fonction alcool sur au moins une extrémité. Ce deuxième polymère fonctionnalisé alcool permet de servir de macro-amorceur pour la polymérisation de la β-butyrolactone (BBL) en présence d'acide triflique (HOTf) comme catalyseur. Lorsqu'il ne comprend qu'une fonction hydroxy sur une extrémité, il permet de réaliser un copolymère diblocs avec le PBL. Lorsqu'il comprend une fonction hydroxy à ses deux extrémités, il permet de synthétiser un copolymère triblocs, avec des blocs de PBL aux extrémités.
[0034] Ce deuxième polymère formant le deuxième bloc du copolymère à bloc et agissant comme macro-amorceur de la β-butyrolactone (BBL), peut avantageusement être choisi parmi un oligomère ou un polymère mono- ou polyhydroxylé, notamment choisi parmi : les (alcoxy)polyalkylène glycols, tels que le (méthoxy)polyéthylène glycol (MPEG/PEG), le polypropylène glycol (PPG) et le polytétraméthylène glycol (PTMG) ; les poly(alkyl)alkylène adipate diols tels que le poly(2-méthyl-1 ,3-propylène adipate)diol (PMPA) et le poly(1 ,4-butylène adipate)diol (PBA) ; les polysiloxanes, tels que le polydiméthyl siloxane (PDMS) mono ou di-hydroxylé ; les polydiènes éventuellement hydrogénés, α-hydroxylés ou α,ω-dihydroxylés tels que le polybutadiène α,γ-dihydroxylé ou le polyisoprène α,ω-dihydroxylé ; les polyalkylènes mono- ou polyhydroxylés tels que le polyisobutylène mono- ou polyhydroxylé ; les polysaccharides modifiés ou non tels que l'amidon, la chitine, le chitosan, le dextran, et la cellulose ; et leurs mélanges.
[0035] Selon une autre possibilité, le macro-amorceur peut être un co-oligomère ou un copolymère vinylique de la famille des polymères acryliques, méthacryliques, styréniques ou diéniques, qui résulte d'une copolymérisation entre des monomères acryliques, méthacryliques, styréniques ou diéniques et des monomères fonctionnels présentant un groupement hydroxyle, tels que des monomères acryliques ou méthacryliques hydroxylés, comme par exemple le 4-hydroxybutyl acrylate, l'hydroxyéthyl acrylate et l'hydroxyéthyl méthacrylate. Cette polymérisation pourra s'effectuer selon un procédé radicalaire conventionnel, un procédé radicalaire contrôlé ou un procédé anionique.
[0036] Selon une autre possibilité encore, le macro-amorceur peut être un copolymère vinylique obtenu par polymérisation radicalaire contrôlée dans laquelle l'amorceur radicalaire et/ou l'agent de contrôle portent au moins une fonction hydroxyle ou thiol.
[0037] De préférence, le macro-amorceur est avantageusement choisi parmi des polyoléfines hydroxylées, c'est-à-dire tout polymère dérivé d'oléfines portant au moins une fonction hydroxylée ou hydroxy téléchéliques. En particulier, sont visés les polydiènes et parmi ceux-ci, sont préférés les polybutadiènes et tout particulièrement le polybutadiène hydroxy téléchélique.
[0038] De manière davantage préférée, le polybutadiène hydroxy téléchélique est un polymère commercialisé par la société Cray Valley, sous la référence commerciale Krasol ® et plus particulièrement le Krasol LBH-P3000® et le Krasol HLBH-P3000®. Le
Krasol LBH-P3000® est un polybutadiène, préparé par polymérisation anionique, avec une masse moléculaire moyenne en nombre Mn de l'ordre de 3200 g/mol. Le Krasol HLBH-P3000® est un polybutadiène hydrogéné, dont la masse moléculaire moyenne en nombre Mn est de l'ordre de 3100 g/mol. Ces macro-amorceurs, dihydroxylés, permettent de synthétiser des copolymères triblocs de PBL-Krasol ®-PBL avec un bloc central de type polybutadiène (PBT) hydrogéné ou non.
[0039] Les formules des Krasol LBH-P3000® et Krasol HLBH-P3000® utilisés sont les suivantes :
Krasol LBH-P3000 Krasol HLBH-P3000
[0040] La masse moléculaire moyenne en nombre de chaque bloc de PBL est de préférence comprise entre 1000 et 20000g/mol.
[0041 ] La masse moléculaire moyenne en nombre du copolymère à blocs obtenu est comprise entre 2 000 et 30 000 g/mol
[0042] La fraction volumique en polyester, PBL, par rapport au volume total du copolymère à blocs peut varier entre 25% et 75%. Cette fraction volumique permet avantageusement de contrôler la morphologie des nano-domaines formés. Ainsi, lorsque la fraction volumique en PBL dans le copolymère est comprise entre 45 et 55%, le copolymère présente une morphologie lamellaire, et lorsque la fraction volumique en PBL dans le copolymère est comprise entre 65 et 75%, le copolymère présente une morphologie cylindrique.
[0043] La fraction volumique de chaque bloc du copolymère à blocs est mesurée de la manière décrite ci-après. Au sein d'un copolymère à blocs il est possible de mesurer, par RMN du proton, la fraction molaire de chaque polymère dans l'ensemble du copolymère, puis de remonter à la fraction massique en utilisant la masse molaire de chaque polymère constitutif d'un bloc. La fraction volumique de chaque bloc peut ensuite être déterminée à partir de la fraction massique de chaque bloc et de la densité du polymère formant le bloc. Prenons l'exemple d'un PBL- b- Krasol®. Il est possible de déterminer la fraction molaire de chaque bloc polymère dans l'ensemble du copolymère, par RMN du proton en intégrant les protons oléfiniques du Krasol®, les protons CHO du bloc PBL et le proton de la fonction -CHOH terminale du bloc PBL. En utilisant les masses molaires de chaque unité monomère (arrondies par exemple à
86g/mol pour le BBL et 3200g/mol pour le Krasol®) il est alors possible de calculer la fraction massique de chaque bloc. Ainsi, dans l'exemple, le copolymère comprend 50% massique d'unités monomères BBL, 50% massique d'unités macro-amorceur. Pour déterminer la fraction volumique du 1 er bloc de PBL, on utilise alors la densité du PBL (d= 1 .25, et d=0.9 pour Krasol®). Cette densité est connue et indiquée par exemple dans le Polymer Handbook.
[0044] Le procédé de synthèse d'un tel film de copolymère à bloc comprend les étapes consistant à mélanger le macro-amorceur, par exemple un macro-amorceur de type polyoléfine hydroxylée, et plus particulièrement un polybutadiène hydroxylé ou di- hydroxylé, avec de la β-butyrolactone (BBL), dans un solvant, en présence d'acide trifluorométhane sulfonique en tant que catalyseur de la réaction de polymérisation de la β-butyrolactone, pour l'obtention sélective, en une étape, d'un copolymère à blocs. Le solvant est avantageusement choisi parmi le toluène, l'éthylbenzène ou le xylène. Le toluène est cependant préféré aux deux autres solvants. Le catalyseur est ensuite éliminé et la solution du copolymère à blocs obtenu est appliquée sous forme d'un film sur une surface à graver, dont l'énergie de surface a été préalablement neutralisée. Le solvant de la solution est évaporé et le film est soumis à un recuit à une température déterminée pour assurer la nano-structuration du copolymère en nano-domaines perpendiculaires à la surface à graver. [0045] De manière générale, dans le cas de la lithographie, la structuration recherchée, par exemple la génération de nano-domaines perpendiculaires à la surface, nécessite cependant la préparation de la surface sur laquelle la solution de copolymère est déposée en vue de contrôler l'énergie de surface. Parmi les possibilités connues, on dépose sur la surface un copolymère statistique dont les monomères peuvent être identiques en tout ou partie à ceux utilisés dans le copolymère à blocs que l'on veut déposer. Dans un article pionnier Mansky et al. (Science, vol 275 pages 1458-1460, 1997) décrit bien cette technologie, maintenant bien connue de l'homme du métier.
[0046] Parmi les surfaces privilégiées on peut citer les surfaces constituées de silicium, le silicium présentant une couche d'oxyde natif ou thermique, le germanium, le platine, le tungstène, l'or, les nitrures de titane, les graphènes, le BARC (bottom anti reflecting coating) ou toute autre couche anti-reflective utilisée en lithographie.
[0047] Une fois la surface préparée, une solution du copolymère à blocs selon l'invention est déposée puis le solvant est évaporé selon des techniques connues de
l'homme de métier comme par exemple la technique dite « spin coating », « docteur Blade » « knife System », « slot die System » mais tout autre technique peut être utilisée telle qu'un dépôt à sec, c'est-à-dire sans passer par une dissolution préalable.
[0048] On effectue par la suite un traitement thermique qui permet au copolymère à blocs de s'organiser correctement, c'est-à-dire d'obtenir notamment une séparation de phase entre les nano-domaines dont la taille est < 10 nm, avec une morphologie contrôlée et avec une période <20nm, une orientation des domaines, perpendiculairement à la surface à graver, une réduction du nombre de défauts. De préférence, la température T de ce traitement thermique est telle qu'elle est inférieure à 290°C, de préférence inférieure à 180°C, et supérieure à la température de transition vitreuse la plus élevée des blocs constituant le copolymère. Elle est effectuée sous atmosphère de solvant ou par voie thermique ou par une combinaison de ces deux méthodes. Ce traitement thermique, ou recuit, permet au copolymère à blocs de s'organiser correctement, c'est-à-dire d'obtenir notamment une séparation de phases entre les nano-domaines, une morphologie contrôlée des nano-domaines, une orientation préférentielle des nano-domaines et une réduction du nombre de défauts. Le film de copolymère à blocs obtenu présente une structuration ordonnée pour un degré de polymérisation total donné.
[0049] Selon que le macro-amorceur est mono ou dihydroxylé le copolymère obtenu est un copolymère diblocs de type PBL-b-PBT ou triblocs de type ΡΒΙ_-£>-ΡΒΤ-£>-ΡΒΙ_.
[0050] La synthèse du copolymère à blocs selon l'invention est de préférence conduite à une température allant de 20 à 120°C et plus préférentiellement entre 30 et 60°C, en particulier lorsque le solvant est le toluène. Lorsque le macro-amorceur est un polybutadiène hydroxytéléchélique, hydrogéné ou non, il est en effet possible d'obtenir, à une température de l'ordre de 30°C, des copolymères à blocs de PBL-i -Krasol®-i - PBL ou de PBL-b-Krasol® H-b-PBL ayant des masses moléculaires moyennes en nombre Mn allant jusqu'à 20000 g/mol en quelques heures et avec un rendement supérieur ou égal à 85% après purification.
[0051 ] Le rapport molaire en amorceur / catalyseur (HOTf) est de préférence compris entre 1/1 et 1/2.
[0052] Enfin, les réactifs utilisés dans ce procédé sont de préférence séchés avant leur mise en œuvre, notamment par traitement sous vide, distillation ou séchage par un desséchant inerte.
[0053] La morphologie cylindrique ou lamellaire des nano-domaines ainsi formés dépend du rapport molaire en monomère (BBL) sur macro-amorceur dans le mélange initial, mais aussi de la nature du macro-amorceur formant le deuxième bloc du copolymère à blocs et de son degré de polymérisation.
[0054] Le rapport molaire en monomère de BBL sur macro-amorceur est de préférence compris entre 60/1 et 160/1 .
[0055] Plus particulièrement, pour l'obtention d'une morphologie lamellaire, le rapport molaire en monomère (β-BL) sur macro-amorceur est compris de préférence entre 0,9N et 1 ,1 N et pour l'obtention d'une morphologie cylindrique, le rapport molaire en monomère (β-BL) sur macro-amorceur est compris de préférence entre 0.25N et 0.35N ou entre 1 .8N et 2.2N, N étant le degré de polymérisation de l'oligomère ou polymère formant le macro-amorceur.
[0056] Dans l'exemple particulier du Krasol LBH-P3000® ou du Krasol HLBH-P3000®, dont la masse molaire moyenne en nombre est de l'ordre de 3000 g/mol, pour l'obtention d'une morphologie lamellaire, le rapport molaire en monomère (β-BL) sur macro-amorceur est compris entre 60/1 et 90/1 et pour l'obtention d'une morphologie cylindrique, le rapport molaire en monomère (β-BL) sur macro-amorceur est avantageusement compris entre 100/1 et 160/1 .
[0057] Après avoir synthétisé ce film de copolymère, l'avoir déposé sur une surface à graver et l'avoir soumis à un recuit conformément au procédé qui vient d'être décrit, le premier bloc de polybutyrolactone (PBL), biodégradable, est avantageusement retiré pour former un masque de nanolithographie comprenant un motif poreux, perpendiculaire à la surface à graver et présentant une période Lo≤ 20 nm.
[0058] Un copolymère à blocs selon l'invention permet donc d'obtenir un assemblage des blocs perpendiculairement à la surface sur laquelle il est déposé, avec une ségrégation de phases importante, permettant l'obtention de nano-domaines de petites tailles, de l'ordre du nanomètre à quelques nanomètres et de morphologie contrôlé, et une période inférieure ou égale à 20nm. Un tel copolymère à blocs permet donc un meilleur contrôle du procédé de lithographie dont la résolution est élevée et compatible avec les exigences actuelles en termes de dimensions de composants.
[0059] Les exemples suivants illustrent de façon non limitative la portée de l'invention :
[0060] La procédure générale suivante a été utilisée pour mettre en œuvre les procédés décrits ci-après.
[0061 ] Le toluène est séché à l'aide d'un purificateur de solvants MBraun SPS-800. L'acide méthanesulfonique (AMS) et l'acide trifluorométhane sulfonique (HTOf) ont été utilisés sans purification complémentaire. La diisopropyl éthylamine (DIEA) a été séchée et distillée sur Cah et conservée sur hydroxyde de potassium (KOH).
[0062] Les tubes de Schlenk ont été séchés au pistolet chauffant sous vide afin d'éliminer toute trace d'humidité.
[0063] La réaction a été suivie par RMN 1H (résonance magnétique nucléaire du proton) sur appareil Brucker AVANCE 300 et 500 et par chromatographie d'exclusion stérique (SEC en anglais) dans le THF. Pour ce faire, des échantillons ont été prélevés, neutralisés à la DIEA, évaporés et repris dans un solvant adéquat en vue de leur caractérisation. La RMN 1H permet de quantifier les degrés de polymérisation (DP) des monomères de β-BL et de ε-CL en faisant le rapport d'intégration de la moitié des signaux des -CH2- portant la fonction OC(=O) et la fonction C=O respectivement, aux signaux des protons CH2 portant la fonction -OH initialement sur l'amorceur. Les spectres sont enregistrés dans le chloroforme deutéré, sur spectromètre à 300MHz. La masse moléculaire moyenne en nombre Mn et le degré de polymolécularité (D) des échantillons de copolymères prélevés sont mesurés par chromatographie d'exclusion stérique SEC dans le THF avec calibration polystyrène.
[0064] La mesure par calorimétrie différentielle à balayage, notée DSC, permet d'étudier les transitions vitreuses et la cristallisation. La DSC, de l'acronyme anglo- saxon « Differential Scanning Calorimetry » est une technique d'analyse thermique permettant de mesurer les différences des échanges de chaleur entre un échantillon à analyser et une référence lors de transitions de phase. Pour réaliser cette étude, un calorimètre différentiel à balayage DSC204 NETZCH a été utilisé.
[0065] Les analyses de calorimétrie ont été réalisées entre -80 et 130 °C et les valeurs de températures ont été relevées lors de la deuxième montée en température (à une vitesse de 10°C/min).
[0066] L'analyse par diffusion des rayons X aux petits angles, notée SAXS (de l'acronyme anglo-saxon « Small Angle X-rays Scattering ») permet d'étudier les propriétés structurelles des copolymères à blocs synthétisés à une échelle inférieure à
100nm. Cette technique d'analyse consiste à faire diffuser un rayonnement monochromatique à travers l'échantillon à analyser. L'intensité diffusée est collectée en fonction de l'angle de diffusion traversant l'échantillon, l'angle de diffusion étant très proche du faisceau direct. Les photons diffusés fournissent des informations sur la fluctuation des densités électroniques dans la matière hétérogène. Pour réaliser les analyses SAXS, un appareil Nanostar SAXS (Bruker) ou la station BM-26B de la ligne DUBBLE à l'European synchrotron Radiation Facility (ESFR) ont été utilisés.
[0067] Dans les exemples qui suivent des copolymères diblocs et triblocs, à base de polycaprolactone (PCL) d'une part, et à base de polybutyrolactone (PBL) d'autre part, ont été préparés et comparés. Dans le cas du PBL, l'acide trifluorométhane sulfonique (HOTf) a été utilisé comme catalyseur alors que pour le PCL l'acide méthane sulfonique (AMS), plus faible, est suffisamment actif.
[0068] Dans tous les cas la polymérisation du PBL ou du PCL est totale et elle a lieu avec un très bon contrôle, c'est-à-dire avec une incorporation efficace du bloc polyester sur la ou les extrémités hydroxylées des polybutadiènes (krasol) ou du Polydiméthylsiloxane hydroxylé (PDMS) et avec un très faible impact des réactions de transfert. La structure bloc des copolymères est confirmée par des analyses RMN et CES des polymères.
[0069] Le ratio de monomère/macro-amorceur dans le mélange initial, pour la synthèse de chaque copolymère à blocs, diffère d'un exemple à l'autre, de manière à diversifier les fractions volumiques entre les blocs de nature différente. La capacité de ces copolymères à ségréger et se nano-structurer a été étudiée dans un premier temps par DSC puis par SAXS et / ou une analyse par microscopie a aussi été réalisée. Les résultats des analyses sont rassemblés dans le tableau I ci-après.
Exemple 1 (comparatif) : Préparation d'un copolymère triblocs ρο!ν(ε- caprolactone)43-bloc-Krasol® LBH-P3000-bloc-poly(£ -caprolactone)43
[0070] Le macro-amorceur (Krasol® LBH-P3000, 2eq., 1 .5 g ) ainsi que I' ε-CL (80 eq., 4.1 1 g) sont pesés en boîte à gants et introduits dans un schlenk sec. Le schlenk est disposé sous atmosphère contrôlée d'argon, puis sont ajoutés successivement le solvant (9 mL de toluène, [£-CL]o = 4 mol/L) et l'acide méthane sulfonique (1 eq., 78 μί). Le milieu réactionnel est agité sous argon à 30°C durant 2h30. Une fois le
monomère entièrement consommé, établi à partir du suivi par RMN 1 H, un excès de diisopropylethylamine (DIEA), est additionné pour neutraliser le catalyseur acide. Le solvant est ensuite évaporé sous vide. Le polymère obtenu est alors dissous dans le minimum de dichlorométhane, puis précipité par addition dans le méthanol froid, filtré et séché sous vide.
[0071 ] La réaction de polymérisation du monomère ε-CL avec le macro-amorceur est la suivante :
PCL-è-Krasol-b-PCL
Les résultats obtenus sont les suivants :
[0072] On obtient un copolymère triblocs de PCL43-£>-Krasol®-i -PCL43 avec un taux de conversion de 99 % et un rendement supérieur à 90%
[0073] CES : Mn = 18 OOOg/mol ; D = 1 .18
[0074] DSC : Tg1 = -55.4°C; Tf : 52.7°C; taux de cristallinité globale = 45%
[0075] RMN 1H (CDCIs, 300MHz) : 5.55-5.33 (m, 40x1 H, CHCH=CH2 + 2 2 10H, -CH- CH=CH-CH-), 4.95 (m, 1 χ40χ2Η, CH-CH=CH2), 4.06 (t, 2χ43χ2Η, OCH2CH2), 3.64 (t, 2χ2Η, CH2OH terminaux) , 2.35 (m, 2χ43χ2Η, COCH2), 2.02 (m, 40x1 H, CHCH=CH2 + 2χ2χ10x2H, -CH2-CH=CH-CH2-), 1 .65 (m, 2χ2χ43χ2Η, COCH2CH2CH2CH2CH2O), 1 .38-1 .25 (m, 2χ43χ2Η, COCH2CH2CH2CH2CH2O, 40x2H, CH2-CH2-CH).
Exemple 2 (comparatif) : Préparation d'un copolymère triblocs poly( - caprolactone)8o-bloc-Krasol LBH-P3000-bloc-poly(£ -caprolactoneiso [0076] Le macro-amorceur (Krasol LBH-P3000, 2eq., 1 .5 g ) ainsi que I' ε-CL (160 eq., 8.22 g) sont pesés en boîte à gants et introduits dans un schlenk sec. Le schlenk est disposé sous atmosphère contrôlée d'argon, puis sont ajoutés successivement le solvant (18 mL de toluène, [£-CL]o = 4 mol/L) et l'acide méthane sulfonique (1 eq., 156 μί). Le milieu réactionnel est agité sous argon à 30°C durant 2h30. Une fois le monomère entièrement consommé, établi à partir du suivi par RMN 1H, un excès de
diisopropylethylamine (DIEA), est additionné pour neutraliser le catalyseur acide. Le solvant est ensuite évaporé sous vide. Le polymère obtenu est alors dissous dans le minimum de dichlorométhane, puis précipité par addition dans le méthanol froid, filtré et séché sous vide. Les résultats obtenus sont les suivants :
[0077] On obtient un copolymère triblocs de PCLso-b-Krasol-i -PCLso avec un taux de conversion de 99 % et un rendement supérieur à 90%.
[0078] CES : Mn = 33 OOOg/mol ; D = 1 .13
[0079] DSC : Tgi = -55.6°C; Tf : 52.7°C; taux de cristallinité globale = 42%
[0080] RMN 1H (CDCIs, 300MHz) 5.55-5.33 (m, 40x1 H, CHCH=CH2 + 2 2 10H, -CH- CH=CH-CH-), 4.95 (m, 1 χ40χ2Η, CH-CH=CH2), 4.06 (t, 2χ80χ2Η, OCH2CH2), 3.64 (t, 2χ2Η, CH2OH terminaux) , 2.35 (m, 2χ80χ2Η, COCH2), 2.02 (m, 40x1 H, CHCH=CH2 + 2χ2χ10x2H, -CH2-CH=CH-CH2-), 1 .65 (m, 2χ2χ80χ2Η, COCH2CH2CH2CH2CH2O), 1 .38-1 .25 (m, 2χ80χ2Η, COCH2CH2CH2CH2CH2O, 40x2H, CH2-CH2-CH).
Exemple 3: Préparation d'un copolymère triblocs de polviB-butyrolactonehs- bloc-Krasol LBH-P3000-bloc-polv(B-butyrolactone) 75
[0081 ] Le macro-amorceur (Krasol LBH-P3000, 2eq., 1 .27 g ) ainsi que la β-BL (160 eq., 5.25 g) sont pesés en boîte à gants et introduits dans un schlenk sec. Le schlenk est disposé sous atmosphère contrôlée d'argon, puis sont ajoutés successivement le solvant (4.6 mL de toluène, [β-BLJo = 7 mol/L) et l'acide trifluorométhane sulfonique (2 eq., 91 μί). Le milieu réactionnel est agité sous argon à 30°C durant 3h30. Une fois le monomère β-BL entièrement consommé, établi à partir du suivi par RMN 1 H, un excès de diisopropylethylamine (DIEA), est additionné pour neutraliser le catalyseur acide. Le solvant est ensuite évaporé sous vide. Le polymère obtenu est alors dissous dans le minimum de dichlorométhane, puis précipité par addition dans le méthanol froid, filtré et séché sous vide.
[0082] La réaction de polymérisation du monomère β-BL avec le macro-amorceur est la suivante :
PBL-ù-Krasol-iJ-PBL
Les résultats obtenus sont les suivants :
[0083] On obtient un copolymère triblocs de PBL75-£>-Krasol-i -PBL 75 avec un taux de conversion supérieur à 94 % et un rendement supérieur à 90%.
[0084] SEC (THF) : Mn = 18 000 g/mol ; D
1 .15
[0085] DSC : Tgi = - 40.5°C et Tg2 = - 10.8°C
[0086] RMN 1 H (CDCI3, 300MHz) : 5.52-5.33 (m, 40x1 H, CHCH=CH2 + 2x2x10H, -CH- CH=CH-CH- + 2x75x1 H, xOCH), 4.96 (m, 1 χ40χ2Η, CH-CH=CH2), 4.19 (m, 2χ1 χ1 Η, HOCH), 4.06 (m, 2χ2Η, CH2O amorçage), 2.59 (m, 2x75x1 H, COCH2), 2.48 (m, 2x75x1 H, COCH2) 2.02 (m, 40x1 H, CHCH=CH2 + 2χ2χ10x2H, -CH2-CH=CH-CH2-), 1 .58 (m, 2x75x3H, CH3), 1 .25 (m, 40x2H, CH2-CH2-CH).
Exemple 4 : Préparation d'un copolymère triblocs polv(B-butyrolactone)37-bloc- Krasol LBH-P3000-bloc-polv(B-butyrolactone)37
[0087] Le macro-amorceur (Krasol LBH-P3000, 2eq., 2.35 g ) ainsi que la β-BL (80 eq., 4.60 g) sont pesés en boîte à gants et introduits dans un schlenk sec. Le schlenk est disposé sous atmosphère contrôlée d'argon, puis sont ajoutés successivement le solvant (14 mL de toluène, [β-BLJo = 4 mol/L) et l'acide trifluorométhane sulfonique (2 eq., 168 μί). Le milieu réactionnel est agité sous argon à 30°C durant 2h30. Une fois le monomère entièrement consommé, établi à partir du suivi par RMN 1 H, un excès de diisopropylethylamine (DIEA), est additionné pour neutraliser le catalyseur acide. Le solvant est ensuite évaporé sous vide. Le polymère obtenu est alors dissous dans le minimum de dichlorométhane, puis précipité par addition dans le méthanol froid, filtré et séché sous vide.
Les résultats obtenus sont les suivants : [0088] On obtient un copolymère triblocs de PBL37-£>-Krasol-i -PBL37 avec un taux de conversion de 99 % et un rendement supérieur à 90%.
[0089] CES : Mn = 12 OOOg/mol ; D = 1 .19
[0090] DSC : Tgi = - 39.9°C et Tg2 = - 17.4°C
[0091 ] RMN 1H (CDCIs, 300MHz) :5.52-5.33 (m, 40x1 H, CHCH=CH2 + 2χ2χ10Η, -CH- CH=CH-CH- + 2x37x1 H, xOCH), 4.96 (m, 1 χ40χ2Η, CH-CH=CH2), 4.19 (m, 2x1 x1 H, HOCH), 4.06 (m, 2x2H, CH2OH amorçage), 2.49 (m, 2x37x1 H, COCH2), 2.35 (m,
2χ37χ1 H, COCH2), 2.02 (m, 40x1 H, CHCH=CH2 + 2χ2χ 10x2H, -CH2-CH=CH-CH2-), 1 .60 (m, 2χ37χ3Η, CH3), 1 .25 (m, 40x2H, CH2-CH2-CH).
Exemple 5: Préparation d'un copolymère triblocs polv(B-butyrolactone)39-bloc- Krasol H LBH-P3000-bloc-polv(B-butyrolactone)39
[0092] Le macro-amorceur (Krasol HLBH-P3000, 2 eq., 0.77 g ) ainsi que la β-BL (80 eq., 1 .28 g) sont prélevés en boîte à gants et introduits dans un schlenk sec. Le schlenk est disposé sous atmosphère contrôlée d'argon, puis sont ajoutés successivement le solvant (3.7 mL de toluène, [β-BLJo = 4 mol/L) et l'acide trifluorométhane sulfonique (2 eq., 45 μί). Le milieu réactionnel est agité sous argon à 30°C durant 1 h15. Une fois le monomère entièrement consommé, établi à partir du suivi par RMN 1 H, un excès de diisopropylethylamine (DIEA), est additionné pour neutraliser le catalyseur acide. Le solvant est ensuite évaporé sous vide. Le polymère obtenu est alors dissous dans le minimum de dichlorométhane, puis précipité par addition dans le méthanol froid, filtré et séché sous vide.
[0093] La réaction de polymérisation du monomère ε-CL avec le macro-amorceur (polybutdiène hydrogéné, hydroxytéléchélique) est la suivante :
- - raso - - -
Les résultats obtenus sont les suivants :
[0094] On obtient un copolymère triblocs de PBL39-b-Krasol H-i -PBL39 avec un taux de conversion de 99 % et un rendement supérieur à 90%.
[0095] CES : Mn = 14 500 g/mol ; D = 1 .14
[0096] DSC : Tgi = - 49.5°C et Tg2 = - 7.1 °C
[0097] RMN 1H (CDCI3, 300MHz) : 5.24 (m, 2x39x1 H, xOCH), 4.19 (m, 2x1 x1 H, HOCH), 4.08 (m, 2x2H, CH2O amorçage), 2.58 (m, 2χ39χ1 Η, COCH2), 2.47 (m, 2x39x1 H, COCH2), 1 .25 (m, 36x1 H,CH2-CH-CH2 + 2χ36χ2Η, CH-CH2-CH3+ 2χ4χ10x2H, -CH2-CH2-CH2- + 2χ39χ3Η, CH3), 0.82 (m, 36x3H, CH2-CH3).
Exemple 6 : Préparation d'un copolymère triblocs polv(B-butyrolactone)54-bloc- Krasol H LBH-P3000-bloc-polv(B-butyrolactone)54
[0098] Le macro-amorceur (Krasol HLBH-P3000, 2 eq., 0.5 g ) ainsi que la β-BL (120 eq., 1 .71 g) sont prélevés en boîte à gants et introduits dans un schlenk sec. Le schlenk est disposé sous atmosphère contrôlée d'argon, puis sont ajoutés successivement le solvant (4.8 mL de toluène, [β-Βί]ο = 4 mol/L) et l'acide trifluorométhane sulfonique (2 eq., 29 μί). Le milieu réactionnel est agité sous argon à 30°C durant 3h30. Une fois le monomère entièrement consommé, établi à partir du suivi par RMN 1 H, un excès de diisopropylethylamine (DIEA), est ensuite additionné pour neutraliser le catalyseur. Le solvant est ensuite évaporé sous vide. Le polymère obtenu est alors dissous dans le minimum de dichlorométhane, puis précipité par addition dans le méthanol froid, filtré et séché sous vide.
Les résultats obtenus sont les suivants :
[0099] On obtient un copolymère triblocs de PBL54-£>-Krasol Η-£>-ΡΒί54 avec un taux de conversion de 99 % et un rendement supérieur à 90%
[0100] CES : Mn = 15 800 g/mol ; D = 1 .20
[0101 ] DSC : Tgi = - 52.4°C et Tg2 = - 4.3°C
[0102] RMN 1H (CDCIs, 300MHz) : 5.25 (m, 2 54 1 H, xOCH), 4.19 (m, 2x1 x1 H, HOCH), 4.08 (m, 2x2H, CH2O amorçage), 2.58 (m, 2χ54χ1 Η, COCH2), 2.47 (m, 2x54x1 H, COCH2), 1 .25 (m, 36x1 H, CH2-CH-CH2 + 2χ36χ2Η, CH-CH2-CH3 + 2χ4χ10x2H, -CH2-CH2-CH2- + 2χ54χ3Η, CH3), 0.83 (m, 36x3H, CH2-CH3).
Exemple 7 : Préparation d'un copolymère diblocs de PDMS-b-PBL
[0103]Le macro-amorceur, du PDMS hydroxylé (PDMS, Mn = 4670 g/mol, 1 eq., 2 g), ainsi que la β-BL (60 eq., 2.21 g) sont prélevés en boîte à gants et introduits dans un schlenk sec. Le schlenk est disposé sous atmosphère contrôlée d'argon, puis sont ajoutés successivement le solvant (6.4 mL de toluène, [β-BLJo = 4 mol/L) et l'acide trifluorométhane sulfonique (1 eq., 37 μί). Le milieu réactionnel est agité sous argon à 30°C durant 6h30. Une fois le monomère entièrement consommé, établi à partir du suivi par RMN 1 H, un excès de diisopropylethylamine (DIEA), est ensuite additionné pour neutraliser le catalyseur. Le solvant est ensuite évaporé sous vide. Le polymère obtenu est alors dissous dans le minimum de dichlorométhane, puis précipité par addition dans le méthanol froid, filtré et séché sous vide.
[0104] RMN 1H (CDCIs, 300MHz) : 5.25 (m, 2 55 1 H, xOCH), 4.19 (m, 2x1 x1 H, HOCH), 4.08 (m, 2x2H, CH2O amorçage), 2.58 (m, 2χ55χ1 Η, COCH2), 2.47 (m, 2χ55χ1 H, COCH2), 0.10 (s, 74x6H, Si(CH3)2). [0105] Les analyses thermiques par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) des copolymères à blocs PBL-b-Krasol-i -PBL, ou PBL-b-Krasol H-b-PBL montrent deux températures de transition vitreuse Tgi et Tg2 bien distinctes. Chacune de ces températures est proche de la température de transition vitreuse de chaque homopolymère correspondant (pour PBL, Tg « - 10°C, pour Krasol, Tg= - 55°C ) indiquant l'observation d'une ségrégation de phase entre les blocs à l'état massif. En revanche, ces analyses thermiques pour les copolymères PCL-b-Krasol-b-PCL, montrent une seule valeur de Tg. Etant donné la proximité des valeurs des Tg des homopolymères correspondants (pour PCL, Tg= - 60°C et pour Krasol, Tg= - 55°C) il est difficile de conclure quant à la capacité de ces blocs à ségréger uniquement avec l'analyse DSC.
[0106] Les analyses SAXS, réalisées sur un appareil Nanostar SAXS (Bruker) ou à la station BM-26B de la ligne DUBBLE à l'European synchrotron Radiation Facility (ESFR), apportent plus de lumière sur le comportement différent des copolymères à blocs selon qu'ils incorporent des blocs PBL ou PCL. Pour les copolymères à blocs à base de PCL, il n'y a pas de nano-structuration de morphologie bien définie, mais simplement une séparation des phases due à la cristallinité du PCL et les phases amorphes PCL/Krasol sont miscibles. Par contre, dans le cas du PBL, une nano- structuration avec une morphologie bien définie est observée, que cela soit avec le Krasol, le Krasol hydrogéné ou le PDMS. La morphologie de nano-structuration dépend des fractions volumiques de PBL dans le copolymère à blocs, qui sont directement liées au rapport molaire en monomère de BBL sur l'oligomère ou le polymère macro- amorceur. Dans tous les cas des valeurs très faibles de période Lo ont été mesurées : entre 10,5 et 13,7nm. Les différentes morphologies observées, en fonction des fractions molaires du PBL et du Krasol ® ou du PDMS, et la période Lo mesurée, sont indiquées dans le tableau I ci-dessous, dans lequel sont rassemblés tous les résultats obtenus sur les différents échantillons synthétisés conformément aux exemples 1 à 7.
Tableau I
[0107] Les copolymères tribloc PBL-6-Krasol-i -PBL, ou PBL-6-Krasol H-i -PBL donnant lieu à une nano-structuration ont été choisis ensuite pour analyse par microscopie. Pour cela, une solution de copolymère est déposée sous forme de film mince sur une surface, puis le solvant est évaporé et le film est recuit à une température de 120°C pendant 24 heures. Les films déposés présentent une épaisseur de l'ordre de 30 nm. Les résultats d'analyse par microscopie confirment la nano-structuration, avec des nano-domaines cylindriques ou lamellaires perpendiculaires à la surface et présentant une période Lo moyenne de 13 nm.
[0108] Les copolymères à blocs incorporant un bloc polyester de Polybutyrolactone sont donc capables de ségréger, donnant lieu à une structuration à l'échelle
nanométrique, alors qu'aucune nano-structuration n'est observée pour les copolymères triblocs équivalents en taille, à base de polycaprolactone.
[0109] De plus, les copolymères obtenus à base de Polybutyrolactone sont capables de ségréger pour des masses moléculaires faibles, typiquement inférieures à 20000g/mol, permettant l'accès à diverses morphologies en fonction de leur composition avec des périodes de structuration de très faible valeur, inférieures à 20 nm.
[01 10] Ce comportement s'avère particulièrement intéressant dans le cadre des applications en nano-lithographie par DSA (Directed Self Assembly) où l'on cherche à obtenir la nanostructuration en structures périodiques avec des périodes de copolymères très faibles afin d'obtenir des masques de nano-lithographie avec des résolutions très élevées.
[01 1 1 ] Le copolymère selon l'invention se différencie fortement des copolymères à blocs classiques de PS-b-PMMA qui ne permettent pas d'obtenir des périodes plus faibles que 20 nm.
Claims
1. Film de copolymère à blocs nano-structuré en nano-domaines, ledit copolymère comprenant au moins un premier bloc biodégradable de type polyester et un deuxième bloc de nature chimique différente du premier bloc, ledit copolymère à blocs étant caractérisé en ce que le premier bloc de type polyester est du polybutyrolactone (PBL) et en ce que le deuxième bloc est issu d'un oligomère ou d'un polymère porteur d'une fonction hydoxy sur au moins une extrémité et agissant comme macro-amorceur de la polymérisation de β-butyrolactone (β-BL) en polybutyrolactone (PBL).
2. Film de copolymère à blocs selon la revend ication 1 , caractérisé en ce que le copolymère à blocs est un copolymère diblocs ou triblocs.
3. Film de copolymère à blocs selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la masse moléculaire moyenne en nombre de chaque bloc de PBL est comprise entre 1000 et 20000 g/mol.
4. Film de copolymère à blocs selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la masse moléculaire moyenne en nombre du copolymère à blocs est comprise entre 2000 et 30000g/mol.
5. Film de copolymère à blocs selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport molaire en monomère (β-BL) sur macro-amorceur est compris entre 60/1 et 160/1 .
6. Film de copolymère à blocs selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le deuxième bloc formant macro-amorceur est issu d'un oligomère ou d'un polymère mono- ou poly-hydroxylé choisi parmi :
- les (alcoxy)polyalkylène glycols, tels que le (méthoxy)polyéthylène glycol (MPEG/PEG), le polypropylène glycol (PPG) et le polytétraméthylène glycol (PTMG) ; les poly(alkyl)alkylène adipate diols tels que le poly(2-méthyl-1 ,3- propylène adipate) diol (PMPA) et le poly(1 ,4-butylène adipate) diol (PBA) ; ou
- les polysiloxanes, tels que le polydiméthyl siloxane (PDMS) mono ou di- hydroxylé, ou
- les polydiènes mono- ou dihydroxylés, éventuellement hydrogénés, tels que le polybutadiène α,γ-dihydroxylé ou le polyisoprène α,ω-dihydroxylé, de préférence du polybutadiène hydroxytéléchélique hydrogéné ou non ; ou
les polyalkylènes mono- ou polyhydroxylés tels que le polyisobutylène mono- ou polyhydroxylé ; les polysaccharides modifiés ou non tels que l'amidon, la chitine, le chitosan, le dextran, et la cellulose; ou
un co-oligomère ou un copolymère vinylique de la famille des polymères acryliques, méthacryliques, styréniques ou diéniques, qui résulte d'une copolymérisation entre des monomères acryliques, méthacryliques, styréniques ou diéniques et des monomères fonctionnels présentant un groupement hydroxyle, ou
un copolymère vinylique obtenu par polymérisation radicalaire contrôlée dans laquelle l'amorceur radicalaire et/ou l'agent de contrôle portent au moins une fonction hydroxyle ou thiol.
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