दर निर्भर ellipsometry माप शीतलक पतला ग्लासी फिल्म्स की गतिशीलता निर्धारित करने के लिए
Summary
यहाँ, हम बेजान सामग्री की एक किस्म के लिए दर कांच संक्रमण तापमान (टी जी) निर्धारित कर सकते हैं जो निर्भर ellipsometry प्रयोगों, औसत गतिशीलता, कमजोरी और सुपर ठंडा तरल का विस्तार गुणांक और गिलास ठंडा करने के लिए एक प्रोटोकॉल उपस्थित थे।
Abstract
इस रिपोर्ट को पूरी तरह से दर निर्भर टी जी (सीआर-टी जी) प्रयोगों ठंडा करने के लिए ellipsometry का उपयोग करने का प्रयोगात्मक तकनीक का वर्णन करने के लिए करना है। इन मापों कांच संक्रमण तापमान निर्धारित कर सकते हैं, जो सरल उच्च throughput लक्षण वर्णन प्रयोगों हैं (टी जी), औसत गतिशीलता, कमजोरी और बेजान सामग्री की एक किस्म के लिए सुपर-ठंडा तरल और बेजान राज्यों के विस्तार के गुणांक। इस तकनीक को अन्य तरीकों से इन गुणों के सभी जांच करने के लिए विभिन्न तकनीकों की एक किस्म गठबंधन करना चाहिए, जबकि इन मानकों, एक ही प्रयोग में मापा जा करने के लिए अनुमति देता है। गतिशीलता की माप टी जी के करीब विशेष रूप से चुनौती दे रहे हैं। सीधे थोक और सतह छूट गतिशीलता की जांच के जो अन्य तरीकों से अधिक दर निर्भर टी जी माप ठंडा करने का लाभ यह है कि वे fluorophores या अन्य जटिल पूर्व का उपयोग नहीं करते हैं, जो अपेक्षाकृत जल्दी और सरल प्रयोग कर रहे हैं वह यह है किperimental तकनीक। इसके अलावा, इस तकनीक कांच संक्रमण (τ α> 100 सेकंड) के लिए प्रासंगिक तापमान और आराम के समय में तकनीकी रूप से प्रासंगिक पतली फिल्मों (τ α) शासनों की औसत गतिशीलता जांच। दर निर्भर टी जी प्रयोगों ठंडा करने के लिए ellipsometry उपयोग करने के लिए सीमा (τ α << 1 सेकंड) यह चिपचिपाहट की माप के लिए छूट बार प्रासंगिक जांच नहीं कर सकते हैं। अन्य ठंडा दर निर्भर टी जी माप तकनीक, हालांकि, तेजी से छूट बार करने के लिए सीआर-टी जी विधि का विस्तार कर सकते हैं। इसके अलावा, इस तकनीक को इतने लंबे समय तक फिल्म की अखंडता प्रयोग भर में रहता है के रूप में किसी भी बेजान प्रणाली के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
Introduction
Keddie जोन्स और कोरी 1 की मौलिक काम अति पतली पॉलीस्टीरिन फिल्मों के कांच संक्रमण तापमान (टी जी) 60 एनएम से कम मोटाई में थोक मूल्य के लिए सम्मान के साथ कम हो जाती है कि पता चला है। तब से कई प्रयोगात्मक अध्ययन 2-11 टी जी में मनाया कटौती इन फिल्मों की मुक्त सतह के पास बढ़ाया गतिशीलता की एक परत की वजह से कर रहे हैं कि परिकल्पना का समर्थन किया है। हालांकि, इन प्रयोगों के लिए एक एकल विश्राम का समय के अप्रत्यक्ष उपाय कर रहे हैं, और इस तरह औसत पतली फिल्म की गतिशीलता और हवा / बहुलक इंटरफेस में गतिशीलता के बीच सीधा संबंध पर केंद्रित एक बहस 12 से 18 है।
इस बहस का जवाब है, कई अध्ययनों से सीधे मुक्त सतह (τ सतह) की गतिशीलता मापा जाता है। Nanoparticle एम्बेड, 19,20 nanohole विश्राम, 21 और प्रतिदीप्ति 22 अध्ययन बताते हैं कि हवा / बहुलक इंटरफ़ेस जतेजी से τ α की तुलना में एक बहुत कमजोर तापमान निर्भरता के साथ थोक अल्फा विश्राम का समय (τ α) की तुलना में परिमाण की गतिशीलता के आदेश के रूप में। क्योंकि इसकी कमजोर तापमान निर्भरता की, इन फिल्मों के τ सतह, पतली पॉलीस्टीरिन फिल्मों की 19-22 और बढ़ाया गतिशीलता, 23,24 ऊपर कुछ डिग्री है, जो एक एकल बिंदु टी *, पर (τ α) थोक अल्फा छूट intersects टी जी, और ≈ 1 सेकंड की एक τ α पर। तेजी * से छूट बार जांच प्रयोगों जो अति पतली Polystyrene फिल्मों की टी जी पर किसी भी मोटाई निर्भरता देखने के लिए असफल क्यों टी * की उपस्थिति समझा सकता है। 13-18 अन्त में, जबकि यह है कि बढ़ाया मोबाइल परत शो के प्रत्यक्ष माप 4-8 एनएम की मोटाई, 20-22 हवा / बहुलक इंटरफेस में गतिशीलता का प्रचार लंबाई मोबाइल सतह लेय की मोटाई से भी बड़ा है कि सबूत नहीं हैआर। 5,25,26
इस रिपोर्ट को पूरी तरह से दर निर्भर टी जी (सीआर-टी जी) प्रयोगों ठंडा करने के लिए ellipsometry प्रयोग करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करने के लिए करना है। सीआर-टी जी पहले से polystyrene के अति पतली फिल्मों की औसत गतिशीलता का वर्णन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। 23,24,27,28 इसके अलावा, इस तकनीक को हाल ही में इस्तेमाल किया गया था अति पतली पॉलीस्टीरिन फिल्मों में औसत गतिशीलता के बीच सीधा संबंध दिखाने के लिए मुक्त सतह पर, और गतिशीलता। 23 ऐसे प्रतिदीप्ति, nanoparticle एम्बेड, nanohole छूट, nanocalorimetry, अचालक स्पेक्ट्रोस्कोपी, और Brillouin प्रकाश बिखरने के रूप में माप के अन्य प्रकार के सीआर-टी जी माप का लाभ, अध्ययन से वे अपेक्षाकृत जल्दी कर रहे हैं वह यह है कि और सरल प्रयोगों fluorophores या अन्य जटिल प्रयोगात्मक तकनीक का उपयोग नहीं करते। स्पेक्ट्रोस्कोपी ellipsometry में हाल के अग्रिमों इस तकनीक का कुशलतापूर्वक ऑप्टिकल गुण निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल करने की अनुमतिपॉलिमर और असाधारण सटीकता के साथ संकर सामग्री के अन्य प्रकार के अति पतली फिल्मों की एँ। जैसे, इस तकनीक कांच संक्रमण (टी ≤ टी जी, τ α ≥ 100 सेकंड) के लिए प्रासंगिक तापमान और समय व्यवस्थाओं में तकनीकी रूप से लागू पतली फिल्मों की औसत गतिशीलता जांच। इसके अलावा, इस तकनीक बेजान का विस्तार गुणांक के बारे में जानकारी प्रदान करेगा और रात का खाना तरल राज्यों के साथ ही फिर थोक फिल्मों के लिए डेटा के साथ तुलना की जा सकती प्रणाली है, जो की कमजोरी ठंडा। अन्त में, CR- टी जी प्रयोगों इतने लंबे समय तक फिल्म की अखंडता प्रयोग भर में रहता है के रूप में किसी भी बेजान प्रणाली के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
कूलिंग-दर निर्भर टी जी माप टी जी, कांच और सुपर ठंडा तरल, औसत गतिशीलता का तापमान निर्भरता का विस्तार गुणांक, और एक में एक विशेष बेजान सामग्री की कमजोरी निर्धारित कर सकते हैं कि उच्च लक्षण वर्णन प्…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों के लिए इस तकनीक के लिए प्रारंभिक विचार में मदद के लिए जेम्स ए फॉरेस्ट को स्वीकार करना होगा। 26 इस काम के पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय से धन के द्वारा समर्थित किया गया था और आंशिक रूप से कोई पुरस्कार के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन के MRSEC कार्यक्रम के द्वारा समर्थित किया गया। डीएमआर-11 पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय में 20901।
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 |
Riferimenti
- Keddie, J. L., Jones, R. A. L., Cory, R. A. Size-Dependent depression of the glass transition temperature in polymer films. Europhys. Lett. 27 (1), 59-64 (1994).
- Forrest, J. A., Veress, K. D., Dutcher, J. R. Interface and chain confinement effects on the glass transition temperature of thin polymer films. Phys. Rev.E. 56 (5), 5705-5716 (1997).
- Forrest, J. A., Mattsson, J. Reductions of the glass transition temperature in thin polymer films: Probing the length scale of cooperative dynamics. Phys. Rev.E. 61 (1), R53-R56 (2000).
- Sharp, J. S., Forrest, J. A. Free surfaces cause reductions in the glass transition temperature of thin polystyrene films. PRL. 91 (23), 235701 (2003).
- Ellison, C. J., Torkelson, J. M. The distribution of glass-transition temperatures in nanoscopically confined glass formers. Nat. Mat. 2 (10), 695-700 (2003).
- Priestley, R. D., Ellison, C. J., Broadbelt, L. J., Torkelson, J. M. Structural relaxation of polymer glasses at surfaces, interfaces, and in between. Science. 309 (5733), 456-459 (2005).
- Ellison, C. J., Kim, S. D., Hall, D. B., Torkelson, J. M. Confinement and processing effects on glass transition temperature and physical aging in ultrathin polymer films: Novel fluorescence measurements. Euro. Phys. J. E. 8 (2), 155-166 (2002).
- Ellison, C. J., Mundra, M. K., Torkelson, J. M. Impacts of polystyrene molecular weight and modification to the repeat unit structure on the glass Transition−Nanoconfinement effect and the cooperativity length scale. Macromolecules. 38 (5), 1767-1778 (2005).
- Yang, Z., Fujii, Y., Lee, F. K., Lam, C. H., Tsui, O. K. C. Glass transition dynamics and surface layer mobility in unentangled polystyrene films. Science. 328 (5986), 1676-1679 (2010).
- Tsui, O. K. C., Zhang, H. F. Effects of chain ends and chain entanglement on the glass transition temperature of polymer thin films. Macromolecules. 34 (26), 9139-9142 (2001).
- Roth, C. B., Dutcher, J. R. Glass Transition and Chain Mobility in thin Polymer Films. J. Electroanal. Chem. 584, 13-22 (2005).
- Ediger, M. D., Forrest, J. A. Dynamics near Free Surfaces and the Glass Transition in Thin Polymer Films: A View to the Future. Macromolecules. 47 (2), 471-478 (2014).
- Serghei, A., Huth, H., Schick, C., Kremer, F. Glassy dynamics in thin polymer layers having a free upper interface. Macromolecules. 41 (10), 3636-3639 (2008).
- Huth, H., Minakov, A. A., Schick, C. Differential AC-chip calorimeter for glass transition measurements in ultrathin films. J. Polym. Sci. B. 44 (20), 2996-3005 (2006).
- Tress, M., et al. Glassy dynamics in condensed isolated polymer chains. Science. 341 (6152), 1371-1374 (2013).
- Boucher, V. M., et al. T g depression and invariant segmental dynamics in polystyrene thin films. Soft Matter. 8 (19), 5119-5122 (2012).
- Yu, M., Olson, E. A., Zhang, M., Zhang, Z., Allen, L. H. Glass transition in ultrathin polymer films: Calorimetric study. PRL. 91 (8), 085703 (2003).
- Kremer, F., Tress, M., Mapesa, E. U. Glassy dynamics and glass transition in nanometric layers and films: A silver lining on the horizon. J. Non-Crys. Solids. 407, 277-283 (2015).
- Qi, D., Ilton, M., Forrest, J. Measuring surface and bulk relaxation in glassy polymers. Euro. Phys. J. E. 34 (6), 1-7 (2011).
- Teichroeb, J. H., Forrest, J. A. Direct imaging of nanoparticle embedding to probe viscoelasticity of polymer surfaces. PRL. 91 (1), 016104 (2003).
- Fakhraai, Z., Forrest, J. A. Measuring the surface dynamics of glassy polymers. Science. 319 (5863), 600-604 (2008).
- Paeng, K., Swallen, S. F., Ediger, M. D. Direct measurement of molecular motion in freestanding polystyrene thin films. J. Am. Chem. Soc. 133 (22), 8444-8447 (2011).
- Glor, E. C., Fakhraai, Z. Facilitation of interfacial dynamics in entagled polymer films. JCP. 141 (9), 194505 (2014).
- Fakhraai, Z., Forrest, J. A. Probing slow dynamics in supported thin polymer films. PRL. 95 (2), 025701 (2005).
- Roth, C. B., McNerny, K. L., Jager, W. F., Torkelson, J. M. Eliminating the enhanced mobility at the free surface of polystyrene: fluorescence studies of the glass transition temperature in thin bilayer films of immiscible polymers. Macromolecules. 40 (7), 2568-2574 (2007).
- Priestley, R. D., Ellison, C. J., Broadbelt, L. J., Torkelson, J. M. Structural relaxation of polymer glasses at surfaces, interfaces, and in between. Science. 309 (5733), 456-459 (2005).
- Gao, S., Koh, Y. P., Simon, S. L. Calorimetric Glass Transition of Single Polystyrene Ultrathin Films. Macromolecules. 46 (92), 562-570 (2013).
- Tropin, T. V., Schulz, G., Schmelzer, J. W. P., Schick, C. Heat capacity measurements and modeling of polystyrene glass transition in a wide range of cooling rates. J. Non-Cryst. Solids. 409, 63-75 (2015).
- Kim, S., Hewlett, S. A., Roth, C. B., Torkelson, J. M. Confinement effects of glass transition temperature, transition breadth, and expansivity: Comparison of ellipsometry and fluorescence measurements on polystyrene films. Eur. Phys. J.E. 30, 83-92 (2009).
- Schawe, J. E. K. Vitrification in a wide cooling rate range: The relations between cooling rate, relaxation time, transition width and fragility. JCP. 141, 184905 (2014).
- Donth, E., Korus, J., Hempel, E., Beiner, M. Comparison of DSC heating rate and HCS frequency at the glass transition. Thermochimica Acta. 304-305, 239-249 (1997).
- Zhang, C., Guo, Y., Priestley, R. D. Confined glassy properties of polymer nanoparticles. J. Polym. Sci. B. 51 (7), 574-586 (2013).
- Koh, Y. P., Grassia, L., Simon, S. L. Structural Recovery of a Single Polystyrene Thin Film Using Nanocalorimetry to Extend the Aging Time and Temperature Range. Thermochimica Acta. 603, 135-141 (2015).
- Gao, S., Simon, S. L. Measurement of the limiting fictive temperature over five decades of cooling and heating rates. Thermochimica Acta. 603, 123-127 (2015).
