تبريد أسعار التابعة القياسات Ellipsometry لتحديد ديناميات رقيقة زجاجية أفلام
Summary
هنا، نقدم بروتوكول للتبريد معدل التجارب تعتمد ellipsometry، التي يمكن أن تحدد درجة حرارة التحول الزجاجي (T ز)، متوسط ديناميكية، وهشاشة ومعامل التمدد للسائل تبريد فائقة والزجاج لمجموعة متنوعة من مواد زجاجية.
Abstract
ويهدف هذا التقرير إلى وصف كامل لتقنية تجريبية لاستخدام ellipsometry للتبريد معدل تعتمد T ز (CR-T ز) التجارب. هذه القياسات هي بسيطة التجارب توصيف الإنتاجية العالية، والتي يمكن تحديد درجة حرارة التحول الزجاجي (T ز)، متوسط ديناميكية، وهشاشة ومعامل التمدد من الدول السائلة والزجاجية وتبريد فائقة لمجموعة متنوعة من مواد زجاجية. هذا الأسلوب يسمح لهذه المعايير التي يتم قياسها في تجربة واحدة، في حين أن الطرق الأخرى يجب الجمع بين مجموعة متنوعة من التقنيات المختلفة للتحقيق في جميع هذه الخصائص. قياسات ديناميات بالقرب من T ز هي تحديا من نوع خاص. ميزة التبريد معدل تعتمد T ز القياسات على الطرق الأخرى التي سبر مباشرة الأكبر والاسترخاء سطح ديناميات هي أنها تجارب سريعة وبسيطة نسبيا، والتي لا تستخدم fluorophores أو غيرها من السابقين معقدةتقنيات perimental. وعلاوة على ذلك، فإن هذا الأسلوب المسابير متوسط ديناميات الأغشية الرقيقة ذات الصلة من الناحية التكنولوجية في درجة الحرارة والاسترخاء الوقت (τ α) الأنظمة ذات الصلة إلى التحول الزجاجي (τ α> 100 ثانية). والاقتصار على استخدام ellipsometry للتبريد معدل تعتمد T ز التجارب هو أنه لا يمكن تحقيق الاسترخاء مرات صلة قياسات اللزوجة (τ α << 1 ثانية). معدل التبريد T تعتمد تقنيات ز القياس الأخرى، ومع ذلك، يمكن أن تمتد إلى CR-T ز طريقة لمرات الاسترخاء بشكل أسرع. وعلاوة على ذلك، فإن هذا الأسلوب يمكن استخدامه لأي نظام زجاجي طالما سلامة الفيلم لا يزال في كافة مراحل التجربة.
Introduction
أظهر العمل المنوي من كيدي جونز وكوري 1 أن درجة حرارة التحول الزجاجي (T ز) من الأفلام البوليسترين رقيقة جدا تتناقص مع الاحترام لقيمة السائبة في سمك أقل من 60 نانومتر. منذ ذلك الحين، العديد من الدراسات التجريبية 11/02 وقد دعمت الفرضية التي تسببت التخفيضات التي لوحظت في T ز بطبقة من تعزيز التنقل بالقرب من سطح خال من هذه الأفلام. إلا أن هذه التجارب هي التدابير غير المباشرة من وقت الاسترخاء واحد، وبالتالي هناك جدل 12- 18 تتمحور حول وجود علاقة مباشرة بين متوسط ديناميات رقيقة وديناميكية في واجهة الهواء / البوليمر.
للإجابة على هذا النقاش، العديد من الدراسات وقياس مباشرة ديناميات سطح مجانا (سطح τ). التضمين جسيمات متناهية الصغر، 19،20 nanohole الاسترخاء، تظهر 21 ومضان 22 دراسة أن واجهة الهواء / البوليمر حكما ديناميات أوامر من حجم أسرع من وقت الاسترخاء ألفا بالجملة (τ α) مع الاعتماد درجة الحرارة أضعف بكثير من τ α. لما له من ضعف درجة حرارة الاعتماد، والسطح τ من هذه الأفلام، 19-22، وتعزيز دينامية الأفلام البوليسترين رقيقة، 23،24 يتقاطع الاسترخاء ألفا بالجملة (τ α) في نقطة واحدة T *، والتي هي بضع درجات فوق T ز، وفي α τ من ≈ 1 ثانية. وجود T * يمكن أن يفسر لماذا التجارب التي تحقيق الاسترخاء مرات أسرع من * لا يرى أي الاعتماد على سمك T غرام من الأفلام البوليستيرين رقيقة جدا. 13-18 وأخيرا، في حين قياسات مباشرة لتعزيز تظهر طبقة المحمول أن لديها بسمك 4-8 نانومتر، 20-22 هناك أدلة على أن طول انتشار ديناميكية في واجهة الهواء / البوليمر هو أكبر بكثير من سمك لاي سطح المحمولص. 5،25،26
ويهدف هذا التقرير إلى وصف كامل بروتوكول لاستخدام ellipsometry للتبريد معدل تعتمد T ز (CR-T ز) التجارب. CR-T ز استخدمت في السابق لوصف متوسط ديناميات الأفلام رقيقة جدا من البوليسترين. 23،24،27،28 وعلاوة على ذلك، تم استخدام هذه التقنية في الآونة الأخيرة لإظهار وجود علاقة مباشرة بين متوسط ديناميكية في أفلام البوليسترين رقيقة جدا ، وديناميات على سطح مجانية. 23 والاستفادة من CR-T ز القياسات على أنواع أخرى من القياسات مثل مضان، جسيمات متناهية الصغر التضمين، nanohole الاسترخاء، nanocalorimetry، التحليل الطيفي عازلة، وBrillouin تشتت الضوء والدراسات هي أنها سريعة نسبيا والتجارب البسيطة التي لا تستخدم fluorophores أو تقنيات تجريبية معقدة أخرى. التطورات الحديثة في ellipsometry الطيفي تسمح هذه التقنية ليتم استخدامها لتحديد كفاءة الملكيه البصريالمنشأ من الأفلام رقيقة جدا من البوليمرات وغيرها من أنواع المواد المختلطة مع دقة استثنائية. على هذا النحو، فإن هذا الأسلوب المسابير متوسط ديناميات الأفلام رقيقة قابلة للتطبيق من الناحية التكنولوجية في الأنظمة درجة الحرارة والوقت ذات الصلة إلى التحول الزجاجي (T ≤ T ز، τ α ≥ 100 ثانية). وعلاوة على ذلك، فإن هذه التقنية توفر معلومات عن معاملات توسيع زجاجي والعشاء تبريد الدول السائلة فضلا عن هشاشة النظام، ومن ثم يمكن مقارنة مع بيانات للأفلام السائبة. وأخيرا، CR-T ز التجارب يمكن أن تستخدم في أي نظام زجاجي طالما سلامة الفيلم لا يزال في كافة مراحل التجربة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تبريد أسعار T تعتمد ز القياسات التجارب توصيف الإنتاجية العالية التي يمكن أن تحدد T ز، ومعامل التمدد من الزجاج وسائل تبريد فائقة، واعتماد درجة حرارة متوسط ديناميكية، وهشاشة مادة زجاجية خاصة في تجربة واحدة. وعلاوة على ذلك، على عكس مضان، التضمين، أو nanohole …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أن نعترف جيمس فورست A. للمساعدة في الفكرة الأولية لهذه التقنية. 26 وأيد هذا العمل من خلال تمويل من جامعة بنسلفانيا وكان مدعوما جزئيا من قبل برنامج MRSEC من المؤسسة الوطنية للعلوم تحت الجائزة لا. DMR-11- 20901 في جامعة ولاية بنسلفانيا.
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 |
References
- 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).
