Enfriamiento Puntúa Medidas Elipsometría Dependientes para determinar la dinámica de Thin Films vidriosos

El objetivo general de este procedimiento es proporcionar un método sencillo para medir de forma rápida y precisa la temperatura de transición vítrea, el coeficiente de expansión aparente y la dinámica promedio de películas vítreas ultra delgadas. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo del vidrio polimérico, como la forma en que la dinámica de películas delgadas se relaciona con la del material en masa. La principal ventaja de esta técnica es que puede calcular la temperatura de transición vítrea, los coeficientes de activación aparentes y las fragilidades de películas ultra delgadas de polímeros en un único experimento de alto rendimiento.

Aunque el ejemplo proporcionado aquí se centra principalmente en vidrios poliméricos, este método puede aplicarse de forma más amplia para estudiar las propiedades de películas gruesas y delgadas de otros tipos de vidrios, como vidrios de moléculas orgánicas y nanocompuestos. Comience a preparar la película un día antes de que sea necesaria para las mediciones de la temperatura de transición vítrea. Tenga una balanza lista para pesar con precisión los materiales para la película.

Este experimento utilizará poliestireno y tolueno para crear la película. Comience midiendo 40 miligramos de poliestireno. Añada dos gramos de tolueno para producir una película de aproximadamente 100 nanómetros.

Después de que la solución haya reposado durante la noche, utilícela para crear una película. Transfiera el vial a un esparcidor de centrifugado que se encuentre en una campana extractora. En la campana extractora, aparte la solución para usarla posteriormente.

Además, asegúrese de que haya tolueno preparado para usar con el centrífugo. A continuación, obtenga un oblea de silicio para crear la película mediante centrifugado. El oblea de silicio para este protocolo mide un centímetro por un centímetro.

Coloque la oblea en el centrifugador, y hágala girar a 8.000 rpm durante 45 segundos. Mientras la oblea gira, agregue aproximadamente un mililitro de tolueno sobre ella. Detenga el centrifugador después de 45 segundos de giro.

Utilice la solución preparada de poliestireno y tolueno, y comience a agregarla gota a gota sobre la superficie de silicio. Deténgase cuando toda la superficie esté cubierta. Antes de que la solución se seque, haga girar la oblea a 4.000 rpm durante 20 segundos.

Detenga el centrifugador y retire la oblea para medir el espesor de la película. Determine el espesor de la película utilizando un elipsómetro. Comience colocando la película sobre la platina del elipsómetro y fijándola.

Continúe verificando el ángulo de incidencia, el tiempo de adquisición y otros ajustes. Luego, inicie el escaneo. Después de recopilar los datos, utilice el software del elipsómetro para ajustar los ángulos elipsométricos.

Utilice un modelo de tres capas. La primera capa es el sustrato, en este caso, silicio. La segunda capa, capa número uno, es un óxido nativo.

La capa tiene un grosor de 1.5 nanómetros. La tercera capa, capa número dos, es un modelo de Cauchy, que corresponde a las propiedades ópticas de una película de poliestireno. El modelo de Cauchy para el índice de refracción viene dado por esta fórmula.

Lambda es la longitud de onda, y A y B son constantes que deben determinarse a partir de los datos. K es igual a cero para un material transparente. El modelo proporciona una determinación del espesor de la película, en este caso, aproximadamente 105 nanómetros.

Retire la oblea del elipsómetro y continúe con el siguiente paso. Si el espesor de la película es el deseado, lleve la oblea a un horno al vacío. Coloque la oblea en el horno y sométala a recocido durante 15 horas a 393 Kelvin.

Regrese al elipsómetro con la película recocida. Coloque la película a un lado mientras prepara la etapa de la muestra. El elipsómetro debe estar equipado con una etapa de temperatura variable.

Utilice una pasta térmica para recubrir la superficie de su elemento calefactor. A continuación, coloque la película de poliestireno recocida sobre el elemento calefactor. Luego sujétela firmemente en su lugar.

Inicie un flujo de nitrógeno seco al 100 % a través de la etapa de temperatura. Diríjase al ordenador y al software de la etapa de temperatura para crear un perfil de temperatura. Esta figura proporciona una idea del perfil de temperatura.

La temperatura se encuentra en el eje vertical. El tiempo se encuentra en el eje horizontal. La muestra se calienta alternativamente hasta 393 Kelvin y se enfría hasta 293 Kelvin.

El grado de aumento de temperatura es siempre constante: 150 kelvin por minuto, como indica la pendiente ascendente pronunciada y constante. La disminución varía en cada ciclo. Comienza rápidamente y luego se ralentiza, como indican las pendientes descendentes cambiantes en la figura.

La muestra se mantiene durante 20 minutos después de que alcanza por primera vez 393 Kelvin. Todos los tiempos posteriores de mantenimiento a temperatura, tanto a 393 Kelvin como a 293 Kelvin, son de cinco minutos. Permanezca en la computadora para completar la configuración del experimento.

Utilice el software del elipsómetro para crear un modelo de elipsometría dependiente de la temperatura. La capa de sustrato es un modelo de silicio dependiente de la temperatura. La capa número uno es una capa de óxido nativo de 1,5 nanómetros.

El número de capa dos, la tercera capa, es el modelo de Cauchy para la película de poliestireno. Trabaje con la configuración de la capa de silicio dependiente de la temperatura. Active el uso de temperatura externa desde el registro de parámetros para permitir el uso de la temperatura del soporte térmico.

Ahora navegue para poder editar las configuraciones del hardware. Establezca el tiempo de adquisición rápida en un segundo. Además, seleccione el promedio de zona de alta precisión.

Establezca el tiempo normal de adquisición en tres segundos. Una vez más, utilice el promedio de la zona de alta precisión. Haga clic en la pestaña "In Situ" del software del elipsómetro.

Marque la casilla de Modo de Tiempo de Adquisición Rápida. Presione Iniciar Adquisición para comenzar a recopilar datos. Supervise la recopilación de datos mientras se sigue el perfil de temperatura.

Justo antes de la rampa de enfriamiento de tres Kelvin por minuto, desactive la casilla de tiempo de Adquisición Rápida. Utilice mediciones del espesor en función de la temperatura para una rampa de enfriamiento dada para calcular la temperatura de transición vítrea. En esta curva de muestra, la región resaltada en rojo corresponde al líquido subenfriado.

La región resaltada en azul corresponde al régimen vítreo. El punto en el que se intersectan los ajustes lineales de estas regiones define la temperatura de transición vítrea. Esta muestra es una película de poliestireno de 110 nanómetros de 342 kilogramos por mol de poliestireno.

La velocidad de enfriamiento es de 10 kelvin por minuto. Las mediciones a un kelvin por minuto arrojan una temperatura de aproximadamente 372 kelvin. A continuación se presentan los datos de la temperatura de transición vítrea frente a la velocidad de enfriamiento para una película de poliestireno de 110 nanómetros.

Estos mismos datos se representan con círculos negros utilizando el logaritmo de la velocidad de enfriamiento en el eje vertical izquierdo. El eje horizontal es 1000 dividido por la temperatura de transición, según lo sugerido por una relación empírica. A modo de comparación, los cuadrados rojos corresponden a la dinámica masiva del poliestireno, determinada mediante espectroscopía dieléctrica.

Para estos datos, consulte el eje derecho del logaritmo del tiempo de relajación alfa en masa y el eje horizontal, 1000 dividido por la temperatura. Una vez dominada, esta técnica tomará cinco horas si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante recordar utilizar un modelo de material adecuado, para ajustar con precisión los valores de elipsometría respecto al espesor y al índice de refracción de la película.

Este método para estudiar películas delgadas de polímeros lo utilicé por primera vez en el laboratorio de James Forrest en la Universidad de Waterloo. Sin embargo, gracias a los recientes avances en la tecnología de elipsometría, ahora podemos emplearlo como un método de alto rendimiento para estudiar una amplia variedad de sistemas, como películas delgadas orgánicas y moléculas recién sintetizadas. Tras ver este video, deberías tener una buena comprensión de cómo preparar una película delgada de polímero y calcular la temperatura de transición vítrea, el coeficiente de expansión y la barrera aparente de activación respecto al tiempo de relajación cerca de la transición vítrea.