JP5679253B2 - 自立性高分子薄膜 - Google Patents
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Description
前記共重合体としては、下記一般式(1)で表わされるものが挙げられる。
E−(Y1−F)n−Y2
(式中、E及びFは同一であっても異なっていてもよく、それぞれ、置換基を有していてもよい2価の芳香族基又は複素環基を表わし、Y1は単結合、−CH2CH2−、−CH2O−、−OCH2−、−C(=O)O−、−OC(=O)−、−C≡C−、−CH=CH−、−CF=CF−、−(CH2)4−、−CH2CH2CH2O− 、−OCH2CH2CH2−、−CH=CH−CH2CH2−、−CH2CH2−CH=CH−、−N=N−、−CH=CH−C(=O)O−又は−OC(=O)−CH=CH−を表わし、nは、1〜4の整数であり、Y2は水素原子、ハロゲン、アルキル基、アルコキシ基、シアノ基、メルカプト基、ニトロ基又はアミノ基を表わす。)で表わされるものが挙げられる。
E−(Y1−F)n−Y2
(式中、E及びFは同一であっても異なっていてもよく、それぞれ、置換基を有していてもよい2価の芳香族基又は複素環基を表わし、Y1は単結合、−CH2CH2−、−CH2O−、−OCH2−、−C(=O)O−、−OC(=O)−、−C≡C−、−CH=CH−、−CF=CF−、−(CH2)4−、−CH2CH2CH2O− 、−OCH2CH2CH2−、−CH=CH−CH2CH2−、−CH2CH2−CH=CH−、−N=N−、−CH=CH−C(=O)O−又は−OC(=O)−CH=CH−を表わし、nは、1〜4の整数であり、Y2は水素原子、ハロゲン、アルキル基、アルコキシ基、シアノ基、メルカプト基、ニトロ基又はアミノ基を表わす。)で表わされるものが挙げられる。
本明細書において、「自立性」とは、基板を取り除いても高分子薄膜層が薄膜の形態を維持することを意味する。
本発明の自立性高分子薄膜は、親水性ポリマー成分と、架橋可能な構造を有する疎水性ポリマー成分とが共有結合してなるブロック共重合体からなり、上記自立性高分子薄膜がその膜中に一定方向に配向した上記親水性ポリマー成分からなるシリンダーを有しており、上記疎水性ポリマー成分が架橋している。
本発明の自立性高分子薄膜を構成するブロック共重合体は、親水性ポリマー成分と、架橋可能な構造を有する疎水性ポリマー成分とが共有結合してなるブロック共重合体である。上記ブロック共重合体における親水性ポリマー成分及び疎水性ポリマー成分としては、互いに非相溶性であり、適当な溶媒に溶解した後、温度変化により相分離するような組み合わせであれば特に制限はない。また、上記ブロック共重合体は、疎水性ポリマー成分中に架橋可能な構造を有するものである。架橋可能な構造としては、特に制限はないが、例えば、後述するような、分子内にメソゲン鎖を有するポリマーが挙げられる。
また、疎水性ポリマー成分としては、上述したように、適当な溶媒に溶解した後、温度変化により相分離するような親水性ポリマー成分との組み合わせであれば、特に制限はないが、例えば、メソゲン側鎖を有するポリ(アクリレート)、ポリ(メタクリレート)、ポリ(スチレン)、又はビニルポリマー等が挙げられる。
E−(Y1−F)n−Y2
上記式において、E及びFは同一であっても異なっていてもよく、それぞれ、置換基を有していてもよい2価の芳香族基又は複素環基を表わし、Y1は単結合、−CH2CH2−、−CH2O−、−OCH2−、−C(=O)O−、−OC(=O)−、−C≡C−、−CH=CH−、−CF=CF−、−(CH2)4−、−CH2CH2CH2O− 、−OCH2CH2CH2−、−CH=CH−CH2CH2−、−CH2CH2−CH=CH−、−N=N−、−CH=CH−C(=O)O−又は−OC(=O)−CH=CH−を表わし、nは、1〜4の整数であり、Y2は水素原子、ハロゲン、アルキル基、アルコキシ基、シアノ基、メルカプト基、ニトロ基又はアミノ基を表わす。また、上記E及びFの芳香族基又は複素環基の具体例としては、例えば、1,4−フェニレン、1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、ナフタレン−2,6−ジイル、デカヒドロナフタレン−2,6−ジイル、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン−2,6−ジイル、1,4−ビシクロ[2.2.2]オクチレン、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、ピリジン−2,5−ジイル、ピラジン−2,5−ジイル、ピリダジン−3,6−ジイル、ピリミジン−2,5−ジイル等が挙げられる。
また、本発明の自立性高分子薄膜を構成するブロック共重合体分子量分布(Mw/Mn)は1.4以下であることが好ましく、1.3以下であることが更に好ましい。なお、本明細書において、分子量分布(Mw/Mn)はゲルパーミエーションクロマトグラフ(GPC)法によって測定したポリスチレン換算の重量平均分子量Mw及び数平均分子量Mnより算出した値を意味する。
具体的な測定方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
すなわち、高速液体クロマトグラム装置に、東ソー(株)製、ゲル浸透クロマトグラフィー用カラム(商品名:TSKgel HXL−M)を装着し、溶離液としてテトラヒドロフランを用いて、分子量の測定を行う。まず、標準試料として、平均分子量が既知のポリスチレンについて測定を行う。上記ポリスチレンの溶出時間と、測定試料の溶出時間とを比較することによって、ポリスチレン換算の重量平均分子量Mw及び数平均分子量Mnを算出し、分子量分布を求める。
原子移動ラジカル重合 は、有機ハロゲン化物、又はハロゲン化スルホニル化合物を開始剤、周期律表第8族、9族、10族、または11族元素を中心金属とする金属錯体を触媒として重合される。
また、ATRP法は、無溶媒(塊状重合)又は、種々の溶媒中で行うことができる。溶媒としては、例えば、炭化水素系溶媒、ハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、ケトン系溶媒、アルコール系溶媒、ニトリル系溶媒、エステル系溶媒などをあげることができ、これらは単独で又は二種以上を混合して用いることができる。溶媒としては、ジクロロベンゼン、アニソール等を用いることが好ましい。
ATRP法によってブロック共重合体を製造する方法としては、単量体を逐次添加する方法、あらかじめ合成した重合体を高分子開始剤として次のブロックを重合する方法、別々に重合した重合体を反応により結合する方法等が挙げられる。これらの方法は、目的に応じて使い分けることができるが、重合工程の簡便性の点から、あらかじめ合成した重合体を高分子開始剤として、次のブロックを重合する方法が好ましい。
上記シリンダー構造は、自立性高分子薄膜の表面に対して略垂直方向に配向していることが好ましい。このように、シリンダー構造を自立性高分子薄膜の表面に対して略垂直方向に配向させる方法は、後述するが、上記ブロック共重合体を溶媒に溶解し、基板上で膜を形成すると、親水性ポリマー部分と、疎水性ポリマー部分との間の斥力的相互作用に基づいてミクロ相分離構造を形成する。このミクロ相分離構造は、親水性シリンダーが膜の表面に対して略垂直方向に配向した六方最密充填のシリンダーアレイ型相分離構造となる。このシリンダーアレイ型相分離構造膜においては、親水性ポリマー成分がシリンダー部分となり、その他の部分は疎水性ポリマー部分からなる。従って、親水性ポリマーと疎水性ポリマーとの体積分率を変えることにより、シリンダー部分の大きさや間隔を変更することができることは上述した通りである。
本発明の自立性高分子薄膜の製造方法は、
基板上に犠牲層を形成する工程;
親水性ポリマー成分と、架橋可能な構造を有する疎水性ポリマー成分とが共有結合してなるブロック共重合体を、該ブロック共重合体が溶解可能な溶媒に溶解したブロック共重合体溶液を、前記犠牲層が形成された基板上に塗布する工程;
前記溶媒を蒸発させて前記ブロック共重合体のミクロ相分離構造膜を形成する工程;
前記ブロック共重合体の疎水性ポリマー成分を光架橋させる工程;及び
前記犠牲層を除去する工程を有する。
犠牲層を設ける方法は、本発明の自立性高分子薄膜に損傷を与えない方法であれば、いかなる方法であってもよいが、好ましくは、本発明の自立性高分子薄膜を溶解せずに、犠牲層のみが溶解されるように実施することが好ましい。ここで、犠牲層は、有機溶媒に溶解するポリマーを主成分とするものを用いることにより、犠牲層を有機溶媒で除去することができるので好ましい。本発明の自立性高分子薄膜は、上述したように架橋構造を有しており、有機溶媒には溶解せず、損傷しないので好ましい。
犠牲層を形成するためのポリマー溶液を基板上にスピンコートした後、有機溶媒を蒸発させるため、加熱してもよい。加熱温度は、有機溶媒が蒸発する温度であればよく、特に制限はない。
電界の印加方法については特に制限はなく、従来公知の方法で実施することができる。簡便な方法として、基板を電極として膜を形成し、その膜の上に電解液を塗布し、電極基板と電解液との間に所望の電圧を印加する方法が挙げられる。
上述のようにして得られたミクロ相分離構造膜は、ナノメートル領域の周期的な分離構造である六方最密型のシリンダー構造を形成しており、親水性ポリマー鎖のドメインによって、シリンダー構造(親水性ポリマー成分からなる)が形成され、疎水性ポリマー鎖によってマトリックス(疎水性ポリマー成分からなる)を形成したものとなる。
以下に、実施例を示して本発明を具体的に説明するが、これらにより本発明は何ら制限を受けるものではない。
実施例1
ブロック共重合体を以下のようにして合成した。
液晶性メタクリル酸エステルモノマーMA(Stb)を以下のようにして合成した。
4−ブチル安息香酸(東京化成工業社製、特級)を三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体と水素化ホウ素ナトリウムにより還元し、4−ブチルベンジルアルコールを得た。4−ヒドロキシベンズアルデヒド(東京化成工業社製、特級)と11−ブロモ−1−ウンデカノール(和光純薬工業社製、特級)をWilliamson法により縮合させ、4−(11−ヒドロキシウンデシロキシ)ベンズアルデヒドを得た。得られた4−ブチルベンジルアルコールを臭化水素によって臭素化し、次いでトリフェニルホスフィン(和光純薬工業社製、特級)と反応させることにより、(4−ブチルベンジル)トリフェニルホスホニウムブロミドを得た。得られたホスホニウム塩にカリウムt−ブトキシドを反応させてイリドを生成し、これに4−(11−ヒドロキシウンデシロキシ)ベンズアルデヒドを加え、Wittig反応により11−(4−((E)−4−ブチルスチリル)フェノキシ)ウンデカン−1−オールを得た。得られた11−(4−((E)−4−ブチルスチリル)フェノキシ)ウンデカン−1−オールを塩化メタクリロイル(和光純薬工業社製、特級)とトリエチルアミン(和光純薬工業社製、特級)存在下、塩化メチレン中で反応させ、液晶性メタクリル酸エステルモノマー(MA(Stb))を得た。
アニオン重合ポリエチレンオキシド(PEO114−OH、日本油脂社製、数平均分子量=5,000)とブロモイソ酪酸ブロミド(和光純薬工業社製、特級)をトリエチルアミン存在下、テトラヒドロフラン中で反応させ、PEO114−BMP(マクロ開始剤)を得た。
下記式で表されるブロック共重合体は以下のようにして合成した。
アルゴン雰囲気下、上記で製造したPEO114−BMPマクロ開始剤87mgと、上記で製造した液晶性メタクリル酸エステルモノマー492mg、塩化銅(I)(和光純薬工業製、特級)17mg、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン(アルドリッチ社製)50μLをアニソール1mLに溶解させ、80℃で22時間攪拌した。空気に暴露して銅錯体を失活させて反応を停止させ、室温まで冷却した後、反応溶液をクロロホルムで希釈し、塩基性アルミナカラムを通じて銅錯体を除去し、溶媒を留去した。生成物を熱ヘキサン中で固−液抽出することにより残留するモノマーを除き、得られた粗精製物を再びテトラヒドロフランに溶解させ、メタノール中に再沈殿させることにより精製を行った。数平均分子量(Mn)と多分散度(Mw/Mn)は、ポリスチレンを基準物質として用いたゲル浸透クロマトグラフィーにより決定した。Mw/Mnは1.18であった。
酢酸セルロース(Mw.30,000)の1重量%アセトン溶液をシリコンウェハ上に3,000rpm,60秒間でスピンコートすることにより、犠牲層を形成した。この薄膜を大気下にて60℃で1時間ほど加熱することによって薄膜中に残存しているアセトンを留去した。次いで、この犠牲層上に、実施例1で製造した共重合体の4重量%クロロホルム溶液を2,000rpm,30秒間でスピンコートし、真空下にて190℃、2時間の加熱処理(アニーリング処理)を行い、ミクロ相分離構造膜を得た。
実施例2で得られた高分子薄膜のミクロ相分離構造について、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、表面構造の観察を行った。AFMの結果を示す写真を図1に示す。図1から明らかなように、実施例2で得られた高分子薄膜の表面には、ポリエチレンオキシドブロック(親水性ポリマー成分)に由来する六方配列したドットパターンが見られた。
次いで、実施例2で得られた高分子薄膜について、斜入射X線小角散乱(GI−SAXS)により、構造周期性の測定を行った。その結果を図2に示す。図2から明らかなように、実施例2で得られた高分子薄膜の膜中のポリエチレンオキシドブロック(親水性ポリマー成分)シリンダーは六方配列していることがわかる。AFM及びGI−SAXSの結果から明らかなように、実施例2で得られた高分子薄膜は、ポリ酢酸セルロース上においてもミクロ相分離構造を形成することが確認された。
実施例2で得られた高分子薄膜のミクロ相分離構造中において、疎水性ポリマー成分の部分は液晶層を形成しており、スチルベン部分は液晶層間でhead−to−tailに配向している。従って、このような場合、紫外光照射に伴うスチルベン部分の光化学反応は、trans−to−cis異性化を経たフェナントレンへの閉環反応よりも、シクロブタン環を形成する[2+2]環化反応が効率的に進行する。実施例2で得られた高分子薄膜のミクロ相分離薄膜に対して、紫外光照射(313nm,5mWcm−2)を行って光二量化反応を起こさせ、ミクロ相分離薄膜に対して光架橋を施した。スチルベン部分の光二量化反応を、紫外可視吸収(UV−Vis)スペクトル及び赤外(IR)スペクトルによって観察した。その結果、紫外線の照射時間に従い、UV−Visスペクトルでは、会合しているスチルベン部分の長軸方向のπ−π*遷移に帰属される280nm付近の吸収が減少した。一方、IRスペクトルにおいては、trans体の炭素−炭素二重結合におけるCH面外変角振動の吸収が減少した。これらは、紫外線照射10分間で定常状態に達することがわかった(結果は示さず)。
次いで、高分子薄膜について、斜入射X線小角散乱(GI−SAXS)により、構造周期性の測定を行った。その結果を図4に示す。図4から明らかなように、得られた高分子薄膜の膜中のポリエチレンオキシドブロック(親水性ポリマー成分)シリンダーは六方配列していることがわかる。AFM及びGI−SAXSの結果から明らかなように、得られた高分子薄膜は、光架橋後においてもミクロ相分離構造を維持していることが確認された。
次いで、上記のようにして得られた高分子薄膜をアセトンに浸漬し、犠牲層である酢酸セルロース用の溶出を行い、犠牲層を除去した。浸漬後、数秒間でミクロ相分離薄膜にシワ状の模様が目視で確認され、時間とともにそのシワを起点としてシリコンウェハからミクロ相分離薄膜が剥離していく様子が観察された。数分間アセトンに浸漬後、ミクロ相分離薄膜がシリコンウェハから完全に剥離させないようゆっくりと取り出し、水へ浸漬させたところ、用いたシリコンウェハとほぼ同様のサイズの自立性高分子薄膜が気−水界面に浮上してきた。
実施例5で得られた自立性高分子薄膜を、下記の2通りの方法を用いて基板へ転写させた。第一の方法は、気−水界面に存在している自立性高分子薄膜の下方、すなわち水相側からシリコンウェハを近づけ、自立性高分子薄膜をすくい取る手法である。この場合、転写後の薄膜の最表面は、実施例3の段階におけるミクロ相分離薄膜における空気側(表側)に相当する。
第二の方法は、気−水界面に存在している自立膜の上方、すなわち気相側からシリコンウェハを近づける方法であり、いわゆるLangmuir-Schaeffer 法と呼ばれる手法である。この場合、転写後の薄膜最表面は、実施例3の段階におけるミクロ相分離薄膜における犠牲層側(裏側)に相当する。
次いで、高分子薄膜について、斜入射X線小角散乱(GI−SAXS)により、構造周期性の測定を行った。その結果を図7及び図8に示す。図7は、上記第一の方法により薄膜を転写したもの、図8は、第二の方法により薄膜を転写したものの結果を示す。図7及び図8から明らかなように、得られた高分子薄膜の膜中のポリエチレンオキシドブロック(親水性ポリマー成分)シリンダーは六方配列していることがわかる。AFM及びGI−SAXSの結果から明らかなように、得られた自立性高分子薄膜は、他の基板に転写した後においてもミクロ相分離構造を維持していることが確認された。
実施例5で得られた自立性高分子薄膜を、透過型電子顕微鏡(TEM)観察用のCuグリッドに転写し、可視部に強い吸収を有するメチレンブルー色素をプローブとして用いた透過実験を行った。透過実験は自立性高分子薄膜によって区切られた2個のセルを用い、始めにフィード側のセル、透過側のセルを純水で満たし、2時間ほど待つことで自立性高分子薄膜を膨潤させた。次いで、フィード側のセルをメチレンブルー水溶液の濃度が1.0×10−4Mとなるように調整した。このときの時間をゼロと設定し、透過側セルの水溶液を一定時間間隔にて採取後、そのUV−Visスペクトルを測定し、時間に対するメチレンブルーの透過量をモル濃度に換算したプロットを作成した。結果を図9に示す。
光架橋を実施しないこと以外は、上記実施例と同様にして薄膜を作製した。この場合、犠牲層であるポリ酢酸セルロース層を除去する際に、ミクロ相分離膜はその形状を維持することができず、自立性高分子薄膜を得ることはできなかった。
アニーリング処理をしないこと以外は、上記実施例と同様にして薄膜を作製した。この薄膜について、実施例7と同様に透過実験を行った。結果を図9に示す。
図9から明らかなように、実施例7の薄膜は、120分で約3.2μMのメチレンブルーが透過したが、比較例2においては、透過したメチレンブルーはわずかであり、実施例のものに比べ、メチレンブルーの透過能は格段に低下した。
Claims (4)
- 基板上に、有機溶媒に溶解するポリマーを主成分とする犠牲層を形成し;
下記一般式(1)で表わされる、親水性ポリマー成分と、架橋可能な構造を有する疎水性ポリマー成分とが共有結合してなるブロック共重合体を、該ブロック共重合体が溶解可能な溶媒に溶解したブロック共重合体溶液を、前記犠牲層が形成された基板上に塗布し;
前記溶媒を蒸発させて前記ブロック共重合体のミクロ相分離構造膜を形成し;
前記ブロック共重合体の疎水性ポリマー成分を光架橋させ;
前記犠牲層を有機溶媒により除去することにより得られる、親水性ポリマー成分と、架橋可能な構造を有する疎水性ポリマー成分とが共有結合してなるブロック共重合体からなる自立性高分子薄膜であって、
上記自立性高分子薄膜がその膜中に一定方向に配向した上記親水性ポリマー成分からなるシリンダーを有しており、上記疎水性ポリマー成分が架橋している自立性高分子薄膜。
- 前記シリンダーが前記自立性高分子薄膜の表面に対して略垂直方向に配向している、請求項1記載の自立性高分子薄膜。
- 前記シリンダーの直径が1〜20nmであり、60nm以下の間隔で整列している、請求項1又は2記載の自立性高分子薄膜。
- 基板上に、有機溶媒に溶解するポリマーを主成分とする犠牲層を形成し;
下記一般式(1)で表わされる、親水性ポリマー成分と、架橋可能な構造を有する疎水性ポリマー成分とが共有結合してなるブロック共重合体を、該ブロック共重合体が溶解可能な溶媒に溶解したブロック共重合体溶液を、前記犠牲層が形成された基板上に塗布する工程;
前記溶媒を蒸発させて前記ブロック共重合体のミクロ相分離構造膜を形成する工程;
前記ブロック共重合体の疎水性ポリマー成分を光架橋させる工程;及び
前記犠牲層を除去する工程を有することを特徴とする、自立性高分子薄膜の製造方法。
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