Kühlrate Dependent Ellipsometriemessungen die Dynamik des Thin Glassy Films zu ermitteln

Summary

Hier stellen wir ein Protokoll für die Kühlrate abhängig Ellipsometrie Experimente, die die Glasübergangstemperatur (T _g) bestimmen kann, die durchschnittliche Dynamik, Zerbrechlichkeit und die Ausdehnungskoeffizienten der unterkühlten Flüssigkeit und Glas für eine Vielzahl von glasartigen Materialien.

Abstract

Dieser Bericht soll vollständig zu beschreiben, die experimentelle Technik der Verwendung von Ellipsometrie für Kühlgeschwindigkeit abhängigen T _{g (CR-T g)} Experimente. Diese Messungen sind einfache Hochdurchsatz-Experimente zur Charakterisierung, die die Glasübergangstemperatur zu bestimmen können (T _g), mittlere Dynamik, Zerbrechlichkeit und die Ausdehnungskoeffizienten der unterkühlten Flüssigkeit und glasig Zustände für eine Vielzahl von glasartigen Materialien. Diese Technik ermöglicht diese Parameter in einem einzigen Experiment bestimmt werden, während andere Verfahren müssen eine Vielzahl von verschiedenen Techniken zu kombinieren, um alle diese Eigenschaften zu untersuchen. Messungen der Dynamik zu schließen, um T _g sind besonders anspruchsvoll. Der Vorteil der Abkühlgeschwindigkeit abhängt _Tg-Messungen gegenüber anderen Verfahren, die direkt untersuchen Volumen- und Oberflächen Relaxationsdynamik ist, dass sie relativ schnell und einfach Versuche, die nicht Fluorophore oder andere komplizierte ex nutzen liegenexperimentelle Techniken. Ferner tastet diese Technik die durchschnittliche Dynamik der technisch relevanten Dünnschichten in der Temperatur und Relaxationszeit _(τ α) Rahmenbedingungen, die für die Glasübergangs _(τ α> 100 s). Die Beschränkung auf mit Ellipsometrie für Kühlgeschwindigkeit abhängigen T _g Experimenten ist, dass es nicht die Sonde kann Relaxationszeiten relevanten Messungen der Viskosität _(τ α << 1 sec). Andere Kühlgeschwindigkeit abhängigen T _g Messverfahren kann jedoch die CR-T _g Methode schneller Relaxationszeiten zu verlängern. Darüber hinaus kann diese Technik für alle glasartigen Systems, solange die Integrität des Films während des gesamten Versuchs bleibt verwendet werden.

Introduction

Die bahnbrechenden Arbeiten von Keddie Jones und Corey ¹ zeigten, dass die Glasübergangstemperatur _(Tg) von ultra-dünnen Polystyrol-Folien in Bezug auf die Volumenwert bei einer Dicke von weniger als 60 nm abnimmt. Seitdem wurden viele experimentelle Studien ^2-11 die Hypothese, daß die beobachtete Verringerung der T _g sind durch eine Schicht aus verbesserte Mobilität in der Nähe der freien Oberfläche dieser Filme verursacht unterstützt. Jedoch sind diese Versuche sind indirekte Maßnahmen einer einzigen Relaxationszeit und somit gibt es eine Diskussion ^{12- 18, die auf} eine direkte Korrelation zwischen den durchschnittlichen Dünnschicht Dynamik und der Dynamik an der Luft / Polymer-Grenzfläche zentriert ist.

Um diese Debatte zu beantworten, haben viele Studien direkt die Dynamik der freien Oberfläche (τ _Oberfläche) gemessen. Nanopartikel-Einbettung, ^19,20 nanohole Entspannung, ²¹ und Fluoreszenz ²² Studien zeigen, dass das Luft / Polymer-Grenzfläche hals Dynamik Größenordnungen schneller als die Masse alpha Relaxationszeit _(τ α) mit einer viel schwächeren Temperaturabhängigkeit als die von _τ α. Wegen seiner schwachen Temperaturabhängigkeit der τ _Oberfläche dieser Filme, ^19-22 und verbesserte Dynamik der dünnen Polystyrolfilme, ^23,24 schneidet den Massen alpha Entspannung _(τ α) an einem einzigen Punkt T *, die ein paar Grad über ist T _g, und bei einem _τ α von ≈ 1 sec. Die Anwesenheit von T * könnte erklären, warum Versuche, die Relaxationszeiten Sonde schneller als * versäumen, eine Dicke Abhängigkeit von der T _g von ultra-dünnen Polystyrol-Filme zu sehen. ^13-18 Schließlich, während direkte Messungen der verstärkten mobilen Schicht zeigen, dass es eine Dicke von 4-8 ^nm, 20-22 gibt es Hinweise, dass die Ausbreitungslänge der Dynamik an der Luft / Polymer-Grenzfläche ist wesentlich größer als die Dicke der zu bewegenden Fläche layer. ^5,25,26

Dieser Bericht soll vollständig zu beschreiben, ein Protokoll für die Verwendung von Ellipsometrie für Kühlgeschwindigkeit abhängigen T _{g (CR-T g)} Experimente. CR-T _g wurden zuvor verwendet, um die durchschnittliche Dynamik von ultradünnen Folien aus Polystyrol zu beschreiben. ^23,24,27,28 Weiterhin wurde diese Technik kürzlich verwendet, um eine direkte Korrelation zwischen den durchschnittlichen Dynamik in ultradünnen Polystyrolfilme zeigen und die Dynamik an der freien Oberfläche. ²³ Der Vorteil der _{CR-Tg-Messungen} gegenüber anderen Arten von Messungen, wie Fluoreszenz, Nanopartikel-Einbettung, nanohole Entspannung, nanocalorimetry, dielektrische Spektroskopie und Brillouin-Lichtstreuung, ist Studien, dass sie relativ schnell sind und einfachen Experimenten, die nicht zu nutzen weiß Fluorophore oder andere komplizierte experimentelle Techniken. Jüngste Fortschritte in der spektroskopischen Ellipsometrie ermöglicht diese Technik verwendet werden, um die optische propert effizient bestimmen,ies von ultradünnen Folien aus Polymeren und andere Arten von Hybridmaterialien mit außergewöhnlicher Genauigkeit. Als solche sind die Sonden dieser Technik wird die durchschnittliche Dynamik technologisch anwendbar Dünnschichten in der Temperatur und Zeitregime, die für die Glasübergangs (T ≤ T _{g, τ} α ≥ 100 s). Darüber hinaus wird diese Technik Informationen zu den Ausdehnungskoeffizienten der glasartigen geben und Abendessen gekühlte Flüssigkeit Staaten sowie die Fragilität des Systems, die dann mit den Daten für Groß Filmen verglichen werden kann. Schließlich kann CR- _Tg Experimenten für jede glasartige System, solange die Integrität des Films während des gesamten Versuchs bleibt verwendet werden.

Protocol

1. Film: Herstellung Man wiegt 0,04 g Polystyrol, und in einen 30 ml-Fläschchen. Wiegen Sie 2 g Toluol in die Flasche. Eine 2% ige Lösung von Polystyrol in Toluol ergibt ein Film von etwa 100 nm. Lassen Sie die Lösung sit O / N, um das Polystyrol vollständig zu lösen und lassen Sie die Lösungen zu begleichen. Legen Sie eine 1 cm x 1 cm Silizium (Si) Wafer auf einen Spin Coater. Drehen Sie das Wafer bei 8000 Upm für 45 sec. Während sie sich dreht, fallen ca. 1 ml…

Representative Results

Fitting Raw Ellipsometry Daten Polystyrolfolien sind im Wellenlängenbereich des Ellipsometers (500-1,600 nm). Somit eine Cauchy-Modell ist ein gutes Modell für den Brechungsindex der Polystyrol-Folien beschreibt. 1A zeigt ein Beispiel Ψ (λ) und Δ (λ) für eine Dicke (274 nm) Film aus Polystyrol, und die daraus resultierende Anpassung an die Cauchy-Modell <img alt="Gleichung 1" src="/file…

Discussion

Cooling-Rate abhängig _Tg Messungen mit hohem Durchsatz Experimente zur Charakterisierung, die die T _g, die Ausdehnungskoeffizienten des Glases und der unterkühlten Flüssigkeit, die Temperaturabhängigkeit der durchschnittliche Dynamik und die Zerbrechlichkeit eines bestimmten glasartiges Material in einer bestimmen kann, einzigen Experiment. Darüber hinaus, im Gegensatz zu Fluoreszenz, Einbetten oder nanohole Relaxationsexperimente sind CR-T _g Experimenten relativ schnell und einfach…

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