Puan Bağımlı Elipsometri Ölçümleri Soğutma İnce Camsı Filmlerin dinamikleri belirleme
Summary
Burada, cam malzemelerin çeşitli oranı cam geçiş sıcaklığı (Tg) belirleyebilir bağımlı elipsometri deneyleri, ortalama dinamikleri, kırılganlık ve süper-soğutulmuş sıvı genleşme katsayısına ve cam soğutmak için bir protokol mevcut.
Abstract
Bu rapor tamamen oran bağımlı T g (CR-T g) deneyleri soğutma Elipsometri kullanarak deneysel tekniğini anlatmak amaçlamaktadır. Bu ölçümler cam geçiş sıcaklığı belirleyebilir basit yüksek verimlilik karakterizasyon deneyleri vardır (T g), orta dinamiği, kırılganlık ve camsı malzemelerin çeşitli süper-soğutulmuş sıvı ve camsı durumlarının genleşme katsayısı. Bu teknik, diğer yöntemler, bu özelliklerin tümünü araştırmak için, farklı çeşitli teknikler kombine gerekir iken, bu parametreler, tek bir deneyde ölçülecek sağlar. Dinamikleri Ölçümler T g yakın özellikle zorlu. Şirketinden toplu ve yüzey gevşeme dinamikleri prob diğer yöntemlere göre oranına bağlı Tg ölçümleri soğutma avantajı, florofor ve daha diğer karmaşık ex kullanmayan için nispeten hızlı ve basit deneyler olmasıdırdeneysel bir teknikleri. Ayrıca, bu teknik cam geçiş (τ α> 100 sn) ile ilgili sıcaklık ve gevşeme zamanında teknolojik ilgili ince filmler (τ α) rejimler ortalama dinamiklerini araştırıyor. Oranı bağımlı T g deneyleri soğutmak için Elipsometri kullanarak sınırlama (τ α << 1 sn) o viskozite ölçümleri gevşeme süreleri ile ilgili soruşturma edemezler. Diğer soğutma oranı bağlı T g ölçüm teknikleri, ancak, daha hızlı gevşeme sürelerine CR-T g yöntemi uzanabilir. Ayrıca, bu tekniğin bu kadar uzun bir film bütünlüğü deney boyunca kalacak şekilde herhani bir cam sistemleri için de kullanılabilir.
Introduction
Keddie Jones ve Corey 1 açıcı çalışmaları ultra-ince polistiren film cam geçiş sıcaklığı (Tg) 60 nm'den daha düşük bir kalınlıkta kütle değerine göre düşürdüğü gösterilmiştir. O zamandan beri, birçok deneysel çalışmalar 2-11 T g gözlenen düşüşler bu filmlerin ücretsiz yüzeyine yakın gelişmiş hareketlilik tabakası neden olduğu hipotezini desteklemiştir. Ancak, bu deneyler, tek bir gevşeme zamanı dolaylı önlemler ve dolayısıyla ortalama ince film dinamikleri ve hava / polimer arayüzünde dinamikleri arasında doğrudan bir korelasyon merkezli bir tartışma 12- 18 var.
Bu tartışmayı cevaplamak için birçok çalışma doğrudan serbest yüzey (τ yüzeyinin) dinamiklerini ölçüldü. Nanoparçacık gömme, 19,20 nanohole gevşeme, 21 ve floresan 22 çalışma gösteriyor ki, hava / polimer arayüzü hDaha hızlı τ a göre daha çok daha zayıf sıcaklık bağımlılığı ile toplu alfa gevşeme zamanı (τ α) 'den büyüklük dinamikleri emirleri gibi. Çünkü zayıf sıcaklık bağımlılığının, bu filmlerin τ yüzeyi, ince polistiren filmlerin 19-22 ve gelişmiş dinamikleri, 23,24 yukarıdaki birkaç derece tek bir nokta T *, at (τ α) toplu alfa gevşeme kesişiyor T g ve ≈ 1 sn τ a at. Hızlı * daha gevşeme süreleri prob deneyleri ultra-ince Polistiren filmlerin T g herhangi bir kalınlıkta bağımlılığı göremiyorum neden T * varlığı açıklayabilir. 13-18 Son olarak, ederken sahip olduğu gelişmiş mobil katman gösterisi doğrudan ölçümleri 4-8 nm kalınlığında, 20-22 hava / polimer arayüzünde dinamiklerinin yayılım uzunluğu mobil yüzey laye kalınlığından daha büyük olması kanıtlar vardırr. 5,25,26
Bu rapor tamamen oran bağımlı T g (CR-T g) deneyleri soğutma Elipsometri kullanmak için bir protokol açıklamayı amaçlamaktadır. CR-T g daha önce polistiren ultra-ince filmlerin ortalama dinamiklerini tanımlamak için kullanılmıştır. 23,24,27,28 Dahası, Bu teknik son zamanlarda kullanılan ultra-ince polistiren filmlerde ortalama dinamikleri arasında doğrudan bir ilişki göstermek için serbest yüzeyde ve dinamiği. 23 örneğin floresan, nanopartikül gömme, nanohole gevşeme, nanocalorimetry dielektrik spektroskopisi ve Brillouin ışık saçılması gibi ölçümler diğer tipleri üstüne CR-T g ölçümleri avantajı, araştırmalar, bunların nispeten hızlı olmasıdır ve basit deneyler florofor ya da diğer karmaşık deneysel teknikleri kullanmak kalmamasıdır. Spektroskopik Elipsometri son gelişmeler, teknik, etkili bir şekilde, optik Bu propert belirlemek için kullanılabilir izinpolimerler ve olağanüstü bir doğrulukla hibrid malzemelerin diğer türleri, ultra ince filmlerin ler. Bunun gibi, bu tekniğin cam geçiş (T ≤ T g, τ α ≥ 100 sn) ile ilgili sıcaklık ve zaman rejimlerde teknolojik uygulanabilir ince filmlerin ortalama dinamiklerini araştırıyor. Ayrıca, bu teknik camsı genişleme katsayıları hakkında bilgi verecek ve akşam yemeği sıvı devletlerin yanı sıra daha sonra toplu filmler için verileri ile mukayese edilebilir sistemin kırılganlığını soğutmalı. Son olarak, CR Tg deneyleri bu kadar uzun bir film bütünlüğü deney boyunca kalacak şekilde herhani bir cam sistemleri için de kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Soğutma-Puan bağlı T g ölçümleri T g, cam ve süper soğutulmuş sıvı, ortalama dinamikleri sıcaklık bağımlılığı genleşme katsayısı ve belirli bir camsı malzemenin kırılganlığı belirleyebilir yüksek verimli karakterizasyon deneyleri vardır Tek deney. Onlar fluorophores veya diğer karmaşık deneysel teknikleri kullanmak yok çünkü Ayrıca, floresan, gömme veya nanohole gevşeme deneyleri aksine, CR-T g deneyleri nispeten hızlı ve basittir. Nedeniyle Elips…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar bu teknik için ilk fikir yardım için James A. Forrest kabul etmek istiyorum. 26 Bu çalışma Pennsylvania Üniversitesi fon tarafından desteklenen ve kısmen hiçbir ödül altında Ulusal Bilim Vakfı MRSEC programı tarafından desteklenmiştir. DMR-11- Pennsylvania Üniversitesi'nde 20.901.
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).
