Keywords Battery Á Block copolymer Á Fuel cell Á Hybrid Á Membrane Á
Metamaterial Á Nanomaterial Á Phononics Á Photonics Á Photovoltaics Á
Self-assembly Á Thermoelectrics
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
2 Block Copolymer Self-Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
3 Block Copolymer-Derived Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
3.1 One- and Two-Dimensional Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
3.2 Three-Dimensional Cubic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 267
3.3 Three-Dimensional Noncubic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
3.4 Quasicrystalline Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
4 Synthetic Methods for Controlling Multiple Structural Levels from Block Copolymer
Self-Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
4.1 Functional Nanomaterials with an Equilibrium Mesostructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4.2 Post-processing of BCP-Derived Functional Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
4.3 Kinetically Controlled Formation of Hierarchical Porous Structures . . . . . . . . . . . . . . 273
5 Classes of Block Copolymer-Derived Hybrid Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
5.1 Ceramics . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 277
5.2 Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
5.3 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6 Application of Block Copolymer Self-Assembly-Directed Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
6.1 Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
6.2 Photonic Crystals and Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
6.3 Phononics and Thermoelectric Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
6.4 Photovoltaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
6.5 Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
6.6 Lithium Battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Abbreviations
1D
One dimensional
2D
Two dimensional
3D
Three dimensional
BCC
Body-centered cubic
BCP
Block copolymer
CASH
Combined assembly by soft and hard
CPS
Close-packed spheres, referring to face-centered or hexagonally closepacked spheres
DIS
Disordered phase
GYR
Gyroid
HEX
Hexagonal cylinder
LAM
Lamellar phases
NIPS
Nonsolvent-induced phase separation
260
K. Hur and U. Wiesner
Metamaterial Á Nanomaterial Á Phononics Á Photonics Á Photovoltaics Á
Self-assembly Á Thermoelectrics
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
2 Block Copolymer Self-Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
3 Block Copolymer-Derived Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
3.1 One- and Two-Dimensional Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
3.2 Three-Dimensional Cubic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 267
3.3 Three-Dimensional Noncubic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
3.4 Quasicrystalline Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
4 Synthetic Methods for Controlling Multiple Structural Levels from Block Copolymer
Self-Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
4.1 Functional Nanomaterials with an Equilibrium Mesostructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4.2 Post-processing of BCP-Derived Functional Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
4.3 Kinetically Controlled Formation of Hierarchical Porous Structures . . . . . . . . . . . . . . 273
5 Classes of Block Copolymer-Derived Hybrid Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
5.1 Ceramics . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 277
5.2 Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
5.3 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6 Application of Block Copolymer Self-Assembly-Directed Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
6.1 Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
6.2 Photonic Crystals and Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
6.3 Phononics and Thermoelectric Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
6.4 Photovoltaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
6.5 Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
6.6 Lithium Battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Abbreviations
1D
One dimensional
2D
Two dimensional
3D
Three dimensional
BCC
Body-centered cubic
BCP
Block copolymer
CASH
Combined assembly by soft and hard
CPS
Close-packed spheres, referring to face-centered or hexagonally closepacked spheres
DIS
Disordered phase
GYR
Gyroid
HEX
Hexagonal cylinder
LAM
Lamellar phases
NIPS
Nonsolvent-induced phase separation
260
K. Hur and U. Wiesner