自己ガイド法によるナノ構造の巨視的配列化と15Tbit/inch2記録媒体の作製

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K05248
• Research Institution: Numazu National College of Technology
• Principal Investigator: 小村 元憲 沼津工業高等専門学校, 電気電子工学科, 准教授 (90401512)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ミクロ相分離 / 巨視的配列化 / 液晶 / ラビング / 配向転移 / 偏光照射

Outline of Annual Research Achievements

ボトムアップ式のナノ加工法の代表であるブロックコポリマー(BC)が形成するミクロ相分離ナノ構造の応用研究の中で，トップダウン式ナノ加工法によるガイドパターンを用いずに巨視的配列に成功した例はない．本研究では，液晶性BCの液晶性を2段階で利用することにより，巨視的に同一方向に配列した垂直配向ナノシリンダー(NC)配列体を作製し，構造微細化を施すことにより，安価で大量生産性に優れる超高密度の磁気記録媒体の作製へつなげる．具体的には，液晶性BCの特徴であるNCの垂直配向性を，表面封止法により一度消し，ラビング法による液晶配向に誘起された巨視的配列平行NC構造を得る．表面封止層を除去し再熱処理を施すことにより，液晶性BCの特徴を再発現させ，巨視的配列平行NC構造を自己ガイドとした巨視的配列垂直NC構造を得る．
令和2年度では①表面封止除去法の検討とラビング膜への適用，②偏光照射による平行シリンダー構造作製，③非偏光照射による垂直NC構造転移の検討をおこなった．
①の表面封止除去法の検討では，ラビングを施し配向制御をおこなった膜に対して，攪拌熱ヘキサン法の条件検討，BC膜へのダメージ低減の検討を行い，表面封止層の全面除去に成功し，全面における垂直配向転移が確認された．②の偏光照射法による平行シリンダー作成条件の検討では，前年度までに検討した偏光照射強度，照射温度と配向性の関係の再現性を調べ，高配向平行シリンダーの作製に成功し，偏光UV-visスペクトルを用いた配向評価を適用することができた．③の非偏光照射では，表面封止を施し，本来平行NC構造が得られる条件において，垂直NC構造膜を得ることに成功した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

①表面封止除去法の検討とラビング膜への適用：前年度以前より高分子化したポリアミック酸を新規合成し，粘度の高い溶液を得ることができた．高分子化ポリアミック酸溶液は，用的濃度が低い状態においても製膜が可能となり，製膜性が向上したと言える．ポリアミック酸膜を250℃でイミド化し，ポリイミド膜を得た状態でも脱濡れ等は起こらず，平滑なサンプルを得ることができた．ポリイミド膜のラビング処理後も，平滑性は保たれ，液晶性BC及び表面封止層(シリコンオイル層)塗布も問題なく実施され，巨視的にラビング方向に平行なNC構造が得られた．この膜に対し，前年度までに得られている表面封止除去方法である攪拌熱ヘキサン(熱し，攪拌しているヘキサン中にBC膜試料を含侵)の最適条件を適用した．
②偏光照射による平行シリンダー構造作製：液晶が等方相をとる140℃からの降温過程において，偏光照射をおこなった．偏光波長はアゾベンゼンのトランス体及びシス体の両方の吸収があるところを選択し，シス→トランス転移を熱転移だけではなく，光転移を用いて促進することで配向制御に成功している．
③非偏光照射による垂直NC構造転移：表面封止除去後での再アニールによる構造転移が十分に機能しない場合に，別の垂直NC構造転移法が必要になると考えた．表面封止が十分に除去できないことを想定し，表面封止を施した状態で，非偏光照射を試みたところ，偏光顕微鏡観察では暗視野像が得られ，原子間力顕微鏡観察では垂直NC構造が観察された．
上記のように順調な結果が得られており，予定してなかった非偏光照射の実験がすすんでおり，順調な部分もあるが，他機関で行う予定だったGISAXS測定はコロナ禍で行えなかったため，おおむね順調とした．

Strategy for Future Research Activity

●令和3年度　令和2年度までに，高配向化法をあわせて巨視的配列垂直NC構造膜を得ることに成功している．但し，試料全面に垂直構造が得られており，偏光UV-visスペクトル測定からも高配向を有する平行配向NC構造からの転移構造であるため，垂直構造も高配列であることが示唆されるものの，直接的な試料全体の六方配列評価には至っていない．令和3年度では斜入射小角X線散乱法(GISAXS)を用いることにより，垂直NCの配列評価を行う．具体的には，ラビング方向に対して，X線の入射方位角度を変えながら測定し，巨視的単一配列性を評価する．また，原子間力顕微鏡を用いた，実像多点測定及び，NC周期とAFM分解能を同程度に設定したときに現れるモアレパターン計測により，1画像中100倍程度の面積評価法を実現する．令和2年度ではラビング法と偏光照射法によりパターン化ナノ構造の作製に成功していることから，同法に対してもGISAXS及びAFM評価を施す．また，磁性体への六方配列構造パターン転写：①親水性NCとそれを囲む疎水性の液晶マトリックスの化学的コントラストにより，親水性物質をNCドメインに選択的に導入または表面堆積できる(BCテンプレート法)．
●令和4年度　②選択的導入・堆積法で十分な磁気記録性が得られない場合は，RIEによる磁性体層含有基板加工法を用いる．巨視的同一配列垂直シリンダーの高密度化：現在用いている液晶性BCでは記録密度は3Tbit/inch2(HDD容量:50TB)と算出される．液晶性BCの重合度(N)を小さくすることにより，ナノ構造サイズ及び間隔を小さくできる．しかし，Nが小さすぎると相分離が起こらず，ナノ構造が得られない．両ブロック間の反発力を上げ，相分離を起こすために，金属イオンなどを親水性ドメインに含有させ，見かけの反発力を向上させることにより構造微細化をはかる．

Causes of Carryover

令和元年度の偏光照射実験において，ダイオードレーザーなどの安価な実験系で十分な結果が得られており，助成金の使用が抑えられている．今年度はより微細な自己組織化構造体を作成するためのBC合成実験系の構築をおこなうのに，予算を使用する予定である．