La vitesse de refroidissement à charge Dimensions Ellipsométrie à déterminer la dynamique de Thin Films vitreux

Summary

Ici, nous présentons un protocole de charge expériences de taux d'ellipsométrie, qui peut déterminer la température de transition vitreuse (T _g), de la dynamique moyenne, la fragilité et du coefficient de dilatation du liquide super-refroidi et le verre de refroidissement pour une variété de matériaux vitreux.

Abstract

Ce rapport vise à décrire complètement la technique expérimentale utilisant des ellipsométrie pour dépendante T _g (CR-T _g) expériences de taux de refroidissement. Ces mesures sont simples expériences à haut débit caractérisation, qui peuvent déterminer la température de transition vitreuse (T _g), de la dynamique moyenne, de la fragilité et du coefficient de l'état liquide et vitreux surfondues expansion pour une variété de matériaux vitreux. Cette technique permet à ces paramètres à mesurer en une seule expérience, tandis que d'autres méthodes doivent combiner une variété de techniques différentes pour étudier l'ensemble de ces propriétés. Les mesures de la dynamique fermer à T _g sont particulièrement difficiles. L'avantage de refroidissement dépendant de T _g mesures de vitesse par rapport aux autres méthodes qui sondent directement en vrac et de relaxation de surface dynamique est qu'ils sont relativement expériences simples et rapides, qui ne sont pas utiliser des fluorophores ou autre ex compliquétechniques expérimentales. En outre, cette technique sonde les moyens de dynamique des films minces technologiquement pertinents dans le temps de la température et de relaxation _(τ α) régimes appropriés à la transition vitreuse _(τ α> 100 sec). La limitation à l'utilisation de l'ellipsométrie dépendant de T _g expériences de taux de refroidissement est qu'il ne peut sonder des temps de relaxation en rapport avec les mesures de viscosité _(τ α << 1 seconde). D'autres techniques de mesure _{de g} de taux de refroidissement T dépend, cependant, peuvent étendre la méthode CR-T _{g à} plus rapides temps de relaxation. En outre, cette technique peut être utilisée pour n'importe quel système vitreux aussi longtemps que l'intégrité de la pellicule reste pendant toute l'expérience.

Introduction

Les travaux fondateurs de Keddie Jones et Corey ^{1 a montré que} la température de transition vitreuse (T _g) de l'ultra-minces films de polystyrène diminue avec rapport à la valeur en vrac à des épaisseurs inférieures à 60 nm. Depuis lors, de nombreuses études expérimentales ^2-11 ont soutenu l'hypothèse que les réductions observées par T _g sont causées par une couche de mobilité accrue près de la surface libre de ces films. Cependant, ces expériences sont des mesures indirectes d'un seul temps de relaxation, et donc il ya un débat ^{12- 18} centrée sur une corrélation directe entre la moyenne dynamique de couches minces et de la dynamique à l'interface air / polymère.

Pour répondre à ce débat, de nombreuses études ont mesuré directement la dynamique de la surface libre _{(surface de} τ). Nanoparticule encastrement, ^19,20 relaxation ^nanotrou, 21 et ²² fluorescence études montrent que l'interface air / polymère hcomme dynamique ordres de grandeur plus rapide que le temps de relaxation alpha de masse _(τ α) en fonction de la température beaucoup plus faible que celle de _τ α. En raison de sa faible dépendance de la température, _la surface de τ de ces films, ^19-22 et améliorées dynamique de minces films de polystyrène, ^23,24 coupe la relaxation vrac alpha _(τ α) en un seul point T *, qui est à quelques degrés au-dessus T _g, à une _α et de τ ≈ de 1 sec. La présence de T * pourrait expliquer pourquoi des expériences qui sondent les temps de relaxation plus vite que * ne parviennent pas à voir toute dépendance épaisseur sur la T _g de l'ultra-minces films de polystyrène. ^13-18 Enfin, alors que des mesures directes de l'exposition de la couche portable amélioré qui il a une épaisseur de 8.4 nm, ^{de 20 à 22} il apparaît que la longueur de propagation de la dynamique à l'interface air / polymère est beaucoup plus grande que l'épaisseur de la surface de laye mobilesr. ^5,25,26

Ce rapport vise à décrire complètement un protocole pour l'utilisation ellipsométrie pour dépendante T _g (CR-T _g) expériences de taux de refroidissement. CR-T _g ont été précédemment utilisé pour décrire la dynamique moyenne des films ultra-minces de polystyrène. ^23,24,27,28 outre, cette technique a récemment été utilisée pour montrer une corrélation directe entre la dynamique moyenne dans l'ultra-minces films de polystyrène , et la dynamique de la surface libre. ²³ L'avantage de _g mesures sur d'autres types de mesures telles que la fluorescence, nanoparticule intégration, la relaxation nanotrou, nanocalorimétrie, spectroscopie diélectrique, et diffusion de la lumière Brillouin CR-T, études est qu'elles sont relativement rapides et les expériences simples qui ne utilisent pas fluorophores ou d'autres techniques expérimentales compliquées. Les progrès récents dans ellipsométrie spectroscopique permettent cette technique pour être utilisé afin de déterminer efficacement l'optique properts de films ultra-minces de polymères et d'autres types de matériaux hybrides avec une précision exceptionnelle. En tant que telle, cette technique dynamique sonde les moyens de couches minces applicables sur le plan technologique dans les régimes de température et de durée appropriées à la transition vitreuse (T _g ≤ T, _τ α ≥ 100 sec). En outre, cette technique fournira des informations sur les coefficients de dilatation de l'vitreux et le souper refroidi états liquides ainsi que la fragilité du système, qui peuvent ensuite être comparées aux données pour les films en vrac. Enfin, des expériences CR- _g T peuvent être utilisés pour n'importe quel système vitreux aussi longtemps que l'intégrité de la pellicule reste pendant toute l'expérience.

Protocol

1. Préparation du film Peser 0,04 g de polystyrène, et le placer dans un flacon de 30 ml. Peser 2 g de toluène dans le flacon. Une solution à 2% en poids de polystyrène dans du toluène on obtient un film d'environ 100 nm. Laisser reposer la solution O / N pour dissoudre complètement le polystyrène et laissez les solutions installent. Placez un 1 cm x 1 cm silicium (Si) tranche sur une tournette. Faites tourner la plaquette à 8000 tours par minute pendant 45…

Representative Results

Fitting Raw Ellipsométrie données Des films de polystyrène sont transparentes dans la plage de longueurs d'onde de l'ellipsomètre (500-1,600 nm). Ainsi, un modèle de Cauchy est un bon modèle pour la description de l'indice de réfraction de films de polystyrène. La figure 1A représente un exemple de Ψ (λ) et Δ (λ) pour une (274 nm) d'un film épais de polystyrène, …

Discussion

T dépendante _g mesures de refroidissement de taux sont à haut débit expériences de caractérisation qui peuvent déterminer la T _g, le coefficient de dilatation du verre et le liquide super-refroidi, la dépendance de la température de la dynamique moyenne, et de la fragilité d'une matière vitreuse particulier dans un expérience unique. En outre, contrairement à la fluorescence, l'intégration, ou à des expériences de relaxation nanotrous, _g expériences CR-T sont rela…

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