金属氧化物类半导体部件的尺度预计很快将低于10nm范围。当前自上而下的加工技术,如光刻技术延伸到了它们的极限。自下而上的方法,如嵌段共聚物自组装(BCP)避免了光刻技术固有的一些挑战;然而,当前的BCP材料和工艺不能产生超小特性。现在，包括研究生Morgan Schulze、明尼苏达大学的Marc Hillmyer、法国奥尔良大学的Christophe Sinturel在内的联合研究团队,已经克服了这些挑战,生产有序排列的直径小至6纳米的金属氧化物粒子——完全没有使用传统的光刻技术。

模板法工艺过程。上:聚乙烯基环乙烷（黄色)- 嵌段-聚(环氧乙烷)(绿色)模板。中:由无机前驱体浸渍的聚(环氧乙烷) 嵌段。下:有机嵌段共聚物模板被移除来显示金属氧化物的纳米排列。信用: ACS Macro Letters

在ACS Macro Letters(DOI:10.1021 / acsmacrolett.5b00458)报道的关键进展是嵌段共聚物的设计和合成(见示意图)。“我们选择的嵌段不仅可以实现小尺寸,也能选择性地将金属氧化物前驱应用到亲水领域,亲水是简单的模式转移的过程,”Hillmyer说。

由于不相容的两个聚合物嵌段自组装成所需的阵列，因此不需要自上而下的模式。这个过程类似于一个油水乳液的形成,除了因为聚合物嵌块是共价键链接外，域尺寸非常小(纳米级)。据Hillmyer介绍,问题是“小的特征尺寸需要较小的分子,但嵌段共聚物越小,每个块体就需要越不兼容。“基于这一挑战,团队开发了一种合成高度不兼容的聚乙烯基环乙烷-嵌段-聚(环氧乙烷)路径。嵌段不相容,通过嵌段相互作用参数(χ)表征,通过动态力学谱和小角x射线散射实验进行预估。

为了制造二氧化硅、二氧化钛和氧化铁粒子的阵列,研究团队有选择性地渗透亲水(还有亲金属的)聚(环氧乙烷)的无机前体嵌段,用紫外/臭氧工艺去除聚合物支架。原子力显微图显示循环氧化颗粒的阵列(见图)。使用5.9 kg/mol的嵌段共聚物制备样品，氧化物粒子的平均直径为13 nm和高度范围为1到3 nm。为使特征尺寸更小,团队使用分子量较低的4.1kg/mol的嵌段共聚物制备氧化物阵列,使金属氧化物粒子直径降到6 nm。这是使用这种工艺模板化的最小粒径。

Hillmyer设想这项技术的未来应用:“我们希望这些材料将在需要超小纳米结构来获得高性能微电子学或是满足高密度数据存储需求的领域得到应用。”在化学和材料的交叉领域构建几纳米尺度的功能因子。这个研究进展充分体现了需要继续减小半导体特征尺寸和增加处理器能力趋势的根本进步。

新材料在线编译整理——翻译：范红娜     校正：摩天轮