薄いガラス質膜のダイナミクスを決定するレート依存エリプソメトリー測定を冷却

Summary

ここでは、ガラス状材料の様々な割合のガラス転移温度_（T g）を決定することができ依存エリプソメトリー実験の、平均力学、もろさ及び過冷却液体の膨張係数とガラスを冷却するためのプロトコルを提示します。

Abstract

このレポートでは、完全に速度依存性T _{G（CR- の} T g）実験を冷却するための偏光解析法を用いての実験的手法を説明することを目的とします。これらの測定は、ガラス転移温度を決定することができる単純な高スループット特性評価実験であります （T _g）を 、平均ダイナミクス、脆弱性とガラス質材料の様々な過冷却液体およびガラス状態の膨張係数。この技術は、他の方法は、これらの特性の全てを調査するために様々な異なる技術を組み合わせる必要がありながら、これらのパラメータは、1回の実験で測定されることを可能にします。 T _gに近いダイナミクスの測定は特に困難です。直接バルクおよび表面緩和ダイナミクスを調べる他の方法に比べて速度依存_の T g _の測定を冷却する利点は、フルオロフォアまたは他の複雑なEXを利用しない、比較的迅速かつ簡単な実験であるということですperimental技術。さらに、この技術は、ガラス転移_（τα> 100秒）に関連する_（τα）政権は、平均気温の技術関連薄膜のダイナミクスと緩和時間をプローブします。速度依存性のT _gの_実験を冷却するための偏光解析法を使用することに制限は、粘度（τの_α<< 1秒）の測定に関連する緩和時間を調べることができないことです。他の冷却速度依存性のT _{gの測定技術}は、しかしながら、より速い緩和時間にCR-T _gの_手法を拡張することができます。さらに、この技術は、長い間、フィルムの完全性は、実験を通してのままのような任意のガラス質系に使用することができます。

Introduction

Keddieジョーンズとコーリー¹の独創的な研究は、超薄型ポリスチレンフィルムのガラス_転移温度（T _g）が 60ナノメートルよりも小さい厚さでバルク値に対して減少することを示しました。それ以来、多くの実験的研究^2-11 _の T gにおいて観察された減少は、これらの膜の自由表面近くで強化された移動性の層によって引き起こされるという仮説を支持しています。しかし、これらの実験は、単一緩和時間の間接的な尺度であるため、議論の空気/ポリマー界面での平均薄膜のダイナミクスとダイナミクスとの間に直接的な相関関係を中心に^{12〜18が存在します。}

この議論に答えるために、多くの研究は、直接、自由表面（τ _面 ）の動態を測定しました。ナノ粒子の埋め込 ​​み^、19,20ナノホール緩和^、21と蛍光²²の研究が示していることを、空気/ポリマー界面の時間速い_ταのそれよりもはるかに弱い温度依存性を持つバルクアルファ緩和時間_（τα）よりも大きさのダイナミクス注文など。理由は、その弱い温度依存性のため、これらの膜のτの_表面は 、薄いポリスチレンフィルムの^19-22および拡張ダイナミクス^{、23,24は、上記の}数度である単一の点T *に_（τα）バルクアルファ緩和と交差します_T gは、と≈1秒の_ταで。速く*より緩和時間を調べる実験は、超薄型のポリスチレンフィルム_の T g上の任意の厚さ依存性を確認するために失敗する理由のT *の存在が説明することができる^。13-18最後に、しばらくそれが持っている強化されたモバイル層ショーの直接測定4-8ナノメートルの厚さ^、20~22空気/ポリマー界面におけるダイナミクスの伝搬長は、移動面レーの厚さよりもはるかに大きいことを示す証拠があります^R。5,25,26

このレポートでは、完全に速度依存性T _{G（CR- の} T g）実験を冷却するためのエリプソメトリーを使用するためのプロトコルを記述することを目指しています。 CR-T _gは、以前にポリスチレンの超薄膜の平均動力学を記述するために使用されてきた。さらに、この技術は、最近、超薄型ポリスチレンフィルムの平均動力学との間の直接的な相関関係を示すために使用された^23,24,27,28自由表面で、とダイナミクス^。23、蛍光、ナノ粒子埋め込 ​​み、ナノホール緩和、nanocalorimetry、誘電分光法、およびブリルアン光散乱などの測定値の他のタイプよりCR- _の T g _測定の利点は、研究では、彼らは比較的迅速であるということですフルオロフォアまたは他の複雑な実験技術を利用しないと簡単な実験。分光エリプソメトリーにおける最近の進歩は、この技術は、効率的に光propertを決定するために使用されることを可能にしますポリマーと卓越した精度でハイブリッド材料の他のタイプの超薄膜の居住。このように、この技術は、ガラス転移（T≤T _gを_{、τα≥100}秒）に関連する温度及び時間体制で技術的に適用可能な薄膜の平均ダイナミクスをプローブ。さらに、この技術は、ガラス状の展開係数に関する情報を提供し、夕食は、液体状態の冷却だけでなく、その後のバルクフィルムについてのデータと比較することができるシステムの脆弱性。最後に、CR- T _gを_実験があれば、フィルムの完全性は、実験を通してのままのような任意のガラス質系に使用することができます。

Protocol

1.フィルムの調製ポリスチレンの0.04グラムを計量し、30ミリリットルバイアルに置きます。 バイアルにトルエンを2g秤量します。トルエン中のポリスチレンの2質量％溶液は、約100nmの膜が得られます。 ソリューションが完全にポリスチレンを溶解し、ソリューションを安定させるために、O / Nを座ってみましょう。 スピンコーター上に1センチメートル×1センチシ?…

Representative Results

フィッティング生エリプソメトリーデータ ポリスチレンフィルムは、エリプソメーター（500-1,600ナノメートル）の波長範囲で透明です。したがって、コーシーモデルは、ポリスチレンフィルムの屈折率を記述するための優れたモデルである。 図1Aは 、ポリスチレンの厚い（274 nm）のフィルム、?…

Discussion

冷却速度依存性のT _gの_{測定値は、T g}を決定することができるハイスループット特性評価実験、ガラスの膨張係数と過冷却液体、平均ダイナミクスの温度依存性、および、特にガラス状の材料の脆弱性であります一回の実験。彼らは、フルオロフォアまたは他の複雑な実験技術を利用しないため、また、蛍光、埋め込 ​​む、またはナノホール緩和実験とは異なり_?…

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