Koeling Rate Afhankelijk Ellipsometrie Metingen aan de dynamiek van Thin Films glazige Bepaal

Summary

Hier presenteren we een protocol voor afkoelsnelheid afhankelijke ellipsometrie experimenten, waarbij de glasovergangstemperatuur _(Tg) kan bepalen, gemiddeld dynamiek, kwetsbaarheid en de uitzettingscoëfficiënt van de onderkoelde vloeistof en glas voor een verscheidenheid van glasachtige materialen.

Abstract

Dit rapport is bedoeld om de experimentele techniek van het gebruik ellipsometrie voor koeling tarief afhankelijk _Tg (CR-T _g) experimenten te beschrijven. Deze metingen zijn eenvoudig high-throughput karakteriseringsexperimenten, waarbij de glasovergangstemperatuur kan bepalen _(Tg), normaal dynamiek, kwetsbaarheid en de uitzettingscoëfficiënt van de onderkoelde vloeistof en glasachtige toestanden voor een verscheidenheid van glasachtige materialen. Deze techniek maakt deze parameters te meten in een enkel experiment, terwijl andere werkwijzen een grote verscheidenheid aan technieken moeten combineren om al deze eigenschappen te onderzoeken. Metingen van de dynamiek dicht bij _Tg zijn bijzonder uitdagend. Het voordeel van de koelsnelheid afhankelijk _Tg metingen boven andere werkwijzen die massa en oppervlakte relaxatiedynamica rechtstreeks sonde is dat ze relatief snelle en eenvoudige experimenten die niet fluoroforen of andere ingewikkelde ex kan benuttenperimental technieken. Bovendien is deze techniek peilt de gemiddelde dynamiek van technologisch relevante dunne films in de temperatuur en ontspanning tijd _(τ α) regimes aan de glasovergang _(τ α> 100 sec) relevant. De beperking tot het gebruik ellipsometrie voor afkoelsnelheid afhankelijke _Tg experimenten is dat het niet kan sonde relaxatietijd metingen van de viscositeit relevant (r _a- << 1 sec). Andere koelsnelheid afhankelijk _Tg meettechnieken kan echter het _Cr-Tg methode breiden sneller relaxatietijden. Bovendien kan deze methode worden gebruikt voor glasachtig systeem zolang de integriteit van de film blijft gedurende het experiment.

Introduction

Het rudimentaire werk van Keddie Jones en Corey ¹ toonde dat de glasovergangstemperatuur _(Tg) van ultradunne films polystyreen daalt ten opzichte van de bulk waarde bij dikten kleiner dan 60 nm. Sindsdien hebben vele experimentele studies ^11/02 de hypothese dat de waargenomen verlaging van _Tg veroorzaakt door een laag verhoogde mobiliteit nabij het ​​vrije oppervlak van deze films ondersteund. Echter, deze experimenten zijn indirecte metingen van één relaxatietijd, en daarom is er een discussie ^{12- 18} gecentreerd op een directe correlatie tussen de gemiddelde dunne film dynamiek en de dynamiek van het lucht / polymeergrensvlak.

Om dit debat te beantwoorden, hebben vele studies die rechtstreeks gemeten de dynamiek van het vrije oppervlak (τ _oppervlak). Nanodeeltjes inbedding, ^19,20 nanohole ontspanning, ²¹ en fluorescentie ²² studies tonen aan dat de lucht / polymeer-interface hals dynamiek ordes van grootte sneller dan de bulk alpha relaxatietijd _(τ α) met een veel zwakkere temperatuur afhankelijkheid dan die van _τ α. Vanwege de zwakke temperatuurafhankelijkheid, de r _{oppervlak van deze} films, ^19-22 en verbeterde dynamiek van dunne films polystyreen, ^23,24 snijdt de bulk alpha relaxatie (r _a-) op één punt T *, die een paar graden boven _Tg en een _a- r van ≈ 1 sec. De aanwezigheid van T * zou kunnen verklaren waarom experimenten die ontspanning keer sonde sneller dan * niet aan elke dikte afhankelijkheid van de _Tg van de ultra-dunne polystyreen films te zien. ^13-18 Tot slot, terwijl de directe metingen van de verbeterde mobiele laag laten zien dat het heeft een dikte van 4-8 nm, ^20-22 zijn er aanwijzingen dat de voortplantinglengte van de dynamiek van het lucht / polymeergrensvlak veel groter is dan de dikte van de mobiele ondergrond Layer. ^5,25,26

Dit verslag is bedoeld om een protocol te beschrijven voor het gebruik van ellipsometrie voor koeling tarief afhankelijk _Tg (CR-T _g) experimenten. _CR-Tg zijn eerder gebruikt om de gemiddelde dynamiek van ultradunne films van polystyreen beschrijven. ^23,24,27,28 Verder werd deze techniek onlangs gebruikt om een directe correlatie tussen de gemiddelde dynamiek in ultra-dunne polystyreen films tonen en de dynamiek van het vrije oppervlak. ²³ Het voordeel van _CR-Tg metingen boven andere soorten metingen zoals fluorescentie, nanodeeltje inbedding nanohole relaxatie, nanocalorimetry, diëlektrische spectroscopie en Brillouin lichtverstrooiing studies is dat zij relatief snel en simpele experimenten die niet fluoroforen of andere ingewikkelde experimentele technieken gebruiken. Recente ontwikkelingen in spectroscopische ellipsometrie laten deze techniek te gebruiken om efficiënt bepalen van de optische EIGENDOMven van ultra-dunne films van polymeren en andere soorten hybride materialen met een uitzonderlijke nauwkeurigheid. Als zodanig is deze techniek tast de gemiddelde dynamiek van technologisch toepasselijk dunne films in temperatuur en tijd regimes om de glasovergang _(Tg ≤ T, r _a- ≥ 100 sec) relevant. Bovendien zal deze techniek informatie over de uitzettingscoëfficiënten van het glasachtig en diner gekoelde vloeibare toestanden en de kwetsbaarheid van het systeem, die vervolgens kunnen worden vergeleken met de gegevens voor bulk films. Ten slotte kan CR- _Tg experimenten worden gebruikt voor glasachtig systeem zolang de integriteit van de film blijft gedurende het experiment.

Protocol

1. Film Voorbereiding Weeg 0,04 g polystyreen, en plaats in een 30 ml flesje. Weeg 2 g tolueen in de flacon. A 2 gewichts% oplossing van polystyreen in tolueen levert een film van ongeveer 100 nm. Laat de oplossing zitten O / N om volledig tot ontbinding van de polystyreen en laat de oplossingen af ​​te wikkelen. Plaats een 1 cm x 1 cm silicium (Si) wafer op een Spin Coater. Spin de wafer bij 8000 rpm gedurende 45 sec. Terwijl het spinnen, drop ongeveer 1 ml tolueen…

Representative Results

Montage Raw Ellipsometrie Gegevens Polystyreenfilms transparant zijn in het golflengtegebied van de ellipsometer (500-1,600 nm). Zo een Cauchy model is een goed model voor het beschrijven van de brekingsindex van polystyreenfilms. Figuur 1A toont een voorbeeld van Ψ (λ) en Δ (λ) van een dikke (274 nm) film van polystyreen en de resulterende aansluiting op de cauchy model <img alt="Vergelij…

Discussion

Cooling-Rate afhankelijke _Tg metingen high throughput karakteriseringsexperimenten dat de _Tg, de uitzettingscoëfficiënt van het glas en de supergekoelde vloeistof, de temperatuurafhankelijkheid van de gemiddelde dynamiek en de kwetsbaarheid van een bepaald glasachtig materiaal in kan bepalen enkel experiment. Bovendien, anders dan fluorescentie, inbedden of nanohole relaxatie experimenten _CR-Tg experimenten relatief snel en eenvoudig omdat ze niet fluoroforen of andere ingewikkelde exp…

Materials

Toluene	Sigma Aldrich	179418-1L	This can be purchased from any chemical company.
Atactic Polystyrene	Polymer Source Inc.	P-4092-S	This can be purchased from any chemical company.
THMS 600 temperature stage	Linkam	THMS 600	any temperature stage that can be fit to an ellipsometer could be used.
M2000V Spectroscopic Ellipsometer	J.A. Woollam	M200V	This procedure should be applicable for any spectroscopic ellipsometer.
Spin Coater	Laurell Technologies	WS-650-23B	This Procedure is possible with any spin coater
Sample vials	Fisher Scientific	02-912-379	Any sample vials will do
Silicon wafers	Virginia semi conductors	325S1410694D